Материал: 361

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

41

Глава 3. ЛИНЕЙНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

§ 1. Введение в комплексные числа

Комплексным числом называется выражение вида ! " •, где ! и " – действительные числа, а • – некоторый символ, называемый

мнимой единицей, если при этом выполнены следующие условия:

 

 

1)

! 0 • !,

0 " • " • (действия с нулем);

 

 

 

2)

1 • •,

1 • •

(умножение на 1

и 1);

! !

 

3)

!

"

• !

" • тогда и только

тогда, когда

и

 

=

=

 

 

 

 

 

=

 

 

"= " ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4)

!= "=• ! " • != ! "= " · •;

 

 

 

5)

!= "=• · ! " • !=!

"=" !=" ! "= · •.

 

 

 

• 1,

• •,

•@ 1,

 

•:

 

 

 

 

•Z •, •U 1 и т.д.

(12)

Сложение, вычитание, умножение и возведение в степень можно производить по правилам соответствующих действий с многочленами (относительно мнимой единицы), с заменой степеней мнимой единицы по формулам (12).

Число ! называют действительной частью, число " – мнимой частью комплексного числа • ! " •.

Записывают это так:

‘ • ‘ ! " • ! и ’“ • ’“ ! "• ".

Действительные числа обычно изображаются на числовой прямой. Комплексные числа изображаются на числовой плоскости, причем

Im

b

a+b i

r

O

Re

a

42

ось абсцисс в этом случае называется действительной осью, а ось ординат – мнимой. Каждому комплексному числу • ! " • ставится в соответствие точка - !, " или радиус-вектор этой точки.

Число •” ! " называется• сопряженным к числу • ! " •.

Сопряженные числа симметричны относительно действительной оси.

Im

b

a+b i

O

a

Re

-b

a-b i

 

Можно показать, что произведение любого комплексного числа

• ! " • на сопряженное к нему •” ! " •является всегда дейст-

вительным числом:

 

 

• · •” ! " • · ! " • ! " · • ! " · 1 ! " .

Пример 13. Даны два комплексных числа:

 

•=

2 3 • и • 4 5 •.

 

Найти числа, сопряженные данным (••=,•• ), сумму, разность, про-

изведение и частное этих чисел (•= • , •= • , •= · • ,

––?Š ).

Решение.

•• 2 3 •

 

=

 

 

•• 4 5 •

 

•= • 2 3 • 4 5 • 2 4 3 5 • 2 2 •

•= • 2 3 • 4 5 • 2 4 3 5 • 6 8 •

•= · •

2 3 • · 4 5 •

 

2 · 4 2 · 5 • 3 • · 4 3 • · 5•

8 10 • 12 • 15 • 8 22 • 15 · 1

7 22 •

Для вычисления частного умножим числитель и знаменатель на число, сопряженное знаменателю (воспользуемся свойством взаимно сопряженных комплексных чисел).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

43

•=

2 3 • 2 3 • · 4 5 •

 

 

8 10 • 12 • 15 •

 

•

4 5 • 4 5 • · 4 5 •

4 5

· •

 

 

23 2 •

23

2 •

, =

 

, =

 

 

Ответ: =

41

,

41

 

41

 

•• 2 3 •

•• 4 5 •

• • 2 2 •

• •

 

6 8 •, •=

· • 7 22 •,

–Š

 

@=

 

•.

 

 

 

–?

@=

 

 

 

Из школьного курса математики известно, что квадратное уравнение может иметь или два корня (дискриминант больше нуля), или один корень (дискриминант равен нулю, в дальнейшем мы будем говорить, что уравнение имеет два одинаковых (кратных) корня), или не иметь решений (дискриминант меньше нуля).

Если в качестве возможных решений квадратного уравнения рассматривать вместо множества действительных чисел множество комплексных чисел, то окажется, что любое квадратное уравнение имеет равно два корня (возможно, совпадающие).

Пример 2. Решить квадратное уравнение:

• 2• 5 0.

Решение. Используя стандартные формулы решения квадратного уравнения, получаем: . " 4!— 2 4 · 1 · 5 16.

Используя, что • 1, а также определение квадратного корня

как функцию обратную к квадрату, получаем, что √ 1 •. Поэтому:

√. √ 16 B16 · 1 √16 · √ 1 4•

•=, " g √. 2 g 4• 1 g 2•. 2! 2

Ответ: •= 1 2•, • 1 2•.

Теорема. Пусть дано уравнение:

! • !C=•C= ˜ ! • != • !( 0,

где ! , !C=, … , ! , !=, !( – вещественные числа, а • – комплексная переменная. Тогда это уравнение имеет ровно y комплексных и вещественных корней (с учетом их кратности), причем если это уравнение имеет комплексный корень t ! "• кратности 8, то число, сопряженное этому корню t” ! "•, тоже является корнем кратности 8 этого уравнения.

44

Задания для самостоятельного решения

Даны комплексные числа •= и • . Найти •= • , •= • , •= · • и ––?Š:

№ 206. •= 2

3

•, • 1 •;

№ 207.

•= 1

•, • 2 2 •;

№ 208.

•= 2

 

3

•, • 3 4 •;

№ 209.

•= 3

•, • 4 5 •;

№ 210.

•= 4

2

•

, • 2 3 •;

№ 211.

•= 1

 

4

•, • 1 •;

№ 212.

•= 2

2

•, • 5 •;

№ 213.

•= 5

•, • 2 1 •;

№ 214.

•= 2

•, • 4 •;

№ 215.

•= 3

 

3

•, • 2 5 •.

Найти комплексные корни уравнения:

№ 216. 6 10 0; № 217. 2 2 1 0; № 218. 4 5 0; № 219. 2 2 0; № 220. 2 6 5 0; № 221. 5 8 4 0; № 222. @ 3 4 0;

№ 223. @ 2 10 0; № 224. 5 2 10 0; № 225. U 2 1 0;

№ 226. @ 5 6 0.

Задания для контроля знаний

Даны комплексные числа •= и • . Найти •= • , •= • , •= · • и

–Š

:

–?

№ 227. •= 2

•, • 1 2 •;

№ 228.

•= 2 •, • 2 3•;

№ 229.

•= 1

2

•, • 3 2•;

№ 230.

•= 2

4

•, • 4 3 •;

№ 231.

•= 3

•, • 5 2•;

№ 232.

•= 3

 

5 •, • 2 3•;

№ 233.

•= 4

5

•, • 3 3•;

№ 234.

•= 2

 

4 •, • 4 •;

45

№235. •= 1 4 •, • 5 2 •;

№236. •= 2 3 •, • 4 3 •;

№237. •= 4 2 •, • 3 •;

№238. •= 5 2 •, • 2 2 •;

№239. •= 3 •, • 1 2•;

№240. •= 1 •, • 6 3•;

№241. •= 3 2 •, • 5 4•;

№242. •= 3 4 •, • 4 •;

№243. •= 1 •, • 3 •;

№244. •= 5 3 •, • 2 2 •;

№245. •= 3 2 •, • 1 3 •;

№246. •= 5 •, • 2 5 •.

§2. Однородные линейные дифференциальные уравнения

спостоянными коэффициентами

Дифференциальные уравнения вида:

! !C= C= ˜ ! != !( 0,

где !(, !=, … , !C=, ! – вещественные постоянные, причем ! w 0, а – искомая неизвестная функция, называются однородными

линейными дифференциальными уравнениями с постоянными ко-

эффициентами.

Для решения таких дифференциальных уравнений необходимо

составить и решить характеристическое уравнение этого дифференциального уравнения: ! t !C=tC= ˜ ! t !=t !( 0,

где коэффициенты !(, !=, … , !C=, ! являются коэффициентами исходного однородного линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами, а производные функции заме-

няются на соответствующие степени t.

Так, заменяется на t , xx – на t , x – на t t=, а – на 1 t(. Из утверждений, приведенных в предыдущем параграфе, следует, что любое такое характеристическое уравнение имеет ровно y комплексных и/или вещественных (возможно, кратных) корней, причем если это характеристическое уравнение имеет комплексный корень t ! "• кратности 8, то число, сопряженное этому корню t” !"•, тоже является корнем кратности 8 этого характеристического уравнения (это свойство следует из условия вещественности коэффи-

циентов !(, !=, … , !C=, ! ).

Источник: https://studfile.net/preview/16409670/