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Come risolvere equazioni differenziali lineari del secondo ordine a coefficienti costanti non omogenee

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Pubblicato il: 19 gennaio 2010

Passiamo adesso alle equazioni non omogenee.
Partiamo dall’equazione differenziale del tipo:

ay'' + by' + cy = f(x) (1)

con a,b,c in Re quad a ne ; 0 quad f in C(Re).

La soluzione generale dell’equazione non omogenea (1) si ottiene sommando la soluzione generale dell’omogenea associata, trovata ad esempio seguendo questo articolo, e una soluzione particolare della non omogenea.

Per trovare una soluzione particolare si procede secondo uno schema, detto della somiglianza in quanto la soluzione particolare è simile, nel senso precisato dalla regola scritta, al termine di non omogeneità f(x).

Definiamo psi (x) la soluzione particolare.

  • CASO 1

    Sia f(x) = P_n(x) con P_n(x) un polinomio di grado n.

    Allora:

    • se c ne 0 si pone psi (x) = Q_n(x) polinomio di grado n da determinare sostituendolo nella (1) ed imponendo che ne sia soluzione.
    • se c = 0 quad b ne 0 si pone psi (x) = xQ_n(x) con Q_n(x) polinomio di grado n da determinare sostituendolo nella (1) ed imponendo che ne sia soluzione.
    • se c = 0 quad b = 0 allora abbiamo  ay'' = f(x)  che si risolve con due integrazioni successive.
  • CASO 2
    Sia f(x) = P(x)e^{kx} con P(x) un polinomio.

    Allora:

    • se k non è radice dell’equazione caratteristica dell’equazione differenziale omogenea associata, allora si pone psi (x) = Q(x)e^{kx} con Q(x) dello stesso grado di P(x).
    • se k è radice dell’equazione caratteristica dell’equazione differenziale omogenea associata, di molteplicità r, allora si pone psi (x) = x^rQ(x)e^{kx}
  • CASO 3
    Sia f(x) = e^{kx}(P_1(x)cos(ux) + P_2(x)sin(ux)) con P_{1,2}(x) polinomi (di cui anche uno nullo).

    Allora:

    • se k pm iu non è radice dell’equazione caratteristica dell’equazione differenziale omogenea associata, allora si pone psi (x) = e^{kx}[Q_1(x)cos(ux) + Q_2(x)sin(ux)] con Q_{1,2}(x) di grado pari al massimo grado tra P_{1,2}(x) .
    • se k pm iu è radice dell’equazione caratteristica dell’equazione differenziale omogenea associata, di molteplicità r, allora si pone psi (x) = x^r e^{kx}[Q_1(x)cos(ux) + Q_2(x)sin(ux)] con Q_{1,2}(x) di grado pari al massimo grado tra P_{1,2}(x) .

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