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गणित · शब्दावली

अवकल समीकरण द्वितीय कोटि रैखिक क्या है?

अन्य नाम: अभिलक्षणिक बहुपद

परिभाषा 5.9 विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 1 · अध्याय 5 — रैखिक अवकल समीकरण

मान लीजिए a,b∈Ra, b \in \R और f ⁣:I→Rf \colon I \to \R संतत है। समीकरण

(E) ⁣:y′′+a y′+b y=f(x)(E)\colon\quad y'' + a\,y' + b\,y = f(x)

अचर गुणांकों वाला द्वितीय कोटि का रैखिक समीकरण कहलाता है; (H) ⁣:y′′+ay′+by=0(H)\colon y'' + ay' + by = 0 उसका समांगी समीकरण है, और χ(r)=r2+ar+b\chi(r) = r^2 + ar + b उसका अभिलक्षणिक बहुपद।

उदाहरण

उदाहरण 5.11 (एक कोशी समस्या, आरंभ से अंत तक)

y(0)=0y(0) = 0, y′(0)=1y'(0) = 1 के साथ y′′−3y′+2y=0y'' - 3y' + 2y = 0 हल कीजिए। अभिलक्षणिक बहुपद r2−3r+2=(r−1)(r−2)r^2 - 3r + 2 = (r - 1)(r - 2) के वास्तविक मूल 11 और 22 हैं: व्यापक हल y=λex+μe2xy = \lambda\eu^{x} + \mu\eu^{2x}। दोनों शर्तें रैखिक निकाय देती हैं

λ+μ=0,λ+2μ=1,\lambda + \mu = 0, \qquad \lambda + 2\mu = 1 ,

अतः μ=1\mu = 1, λ=−1\lambda = -1:

y(x)=e2x−ex.y(x) = \eu^{2x} - \eu^{x} .

जाँच: y(0)=0y(0) = 0; y′=2e2x−exy' = 2\eu^{2x} - \eu^x के लिए y′(0)=1y'(0) = 1; और y′′−3y′+2y=(4−6+2)e2x+(−1+3−2)ex=0y'' - 3y' + 2y = (4 - 6 + 2)\eu^{2x} + (-1 + 3 - 2)\eu^x = 0। उत्तर के आकार पर ध्यान दीजिए: −∞-\infty के पास धीमी विधा −ex-\eu^x प्रभावी है; +∞+\infty के पास तेज़ विधा e2x\eu^{2x}। हलों को भिन्न क्षय या वृद्धि दरों वाली विधाओं के अध्यारोपण के रूप में पढ़ना लाभदायक आदत है — सप्ताहांत समस्या का क्षणिक/स्थायी विभाजन इसी प्रकार सँभाला गया है।

उदाहरण 5.14 (अध्यारोपण काम पर)

R\R पर y′′−y=ex+4y'' - y = \eu^{x} + 4 हल कीजिए। समांगी: χ(r)=r2−1\chi(r) = r^2 - 1, मूल ±1\pm1, अतः yh=λex+μe−xy_h = \lambda\eu^x + \mu\eu^{-x}। दाएँ पक्ष को तोड़िए और हर टुकड़े का उपचार विधि-बॉक्स से कीजिए। टुकड़ा ex\eu^x: यहाँ γ=1\gamma = 1 χ\chi का सरल मूल है, अतः y1=c x exy_1 = c\,x\,\eu^x आज़माइए: तब y1′′−y1=c(x+2)ex−cxex=2c exy_1'' - y_1 = c(x + 2)\eu^x - cx\eu^x = 2c\,\eu^x, जिससे c=12c = \frac12 मिलता है। टुकड़ा 44: γ=0\gamma = 0 मूल नहीं है; अचर y2=−4y_2 = -4 काम करता है। अध्यारोपण (प्रमेय 5.12 (2)) से:

y=x ex2−4+λ ex+μ e−x,(λ,μ)∈R2.y = \frac{x\,\eu^x}2 - 4 + \lambda\,\eu^x + \mu\,\eu^{-x}, \qquad (\lambda, \mu) \in \R^2 .

ध्यान दीजिए कि दोनों टुकड़ों ने भिन्न आकार माँगे (m=1m = 1 बनाम m=0m = 0): बहुलता की जाँच प्रत्येक घातांक पर अलग-अलग लगती है, और अनुमान लगाने से पहले दाएँ पक्ष को तोड़ने का यही पूरा प्रयोजन है।

उदाहरण 5.15 (बहुलता का नियम काम पर)

R\R पर y′′+y′=xy'' + y' = x हल कीजिए। दायाँ पक्ष P(x)=xP(x) = x के साथ P(x)e0⋅xP(x)\eu^{0 \cdot x} है, और γ=0\gamma = 0 χ(r)=r2+r=r(r+1)\chi(r) = r^2 + r = r(r + 1) का सरल मूल है: अतः m=1m = 1, और सही अनुमान yp=x (αx+β)=αx2+βxy_p = x\,(\alpha x + \beta) = \alpha x^2 + \beta x है, जो PP से एक घात ऊपर है। प्रतिस्थापित करने पर:

yp′′+yp′=2α+(2αx+β)=2αx+(2α+β),y_p'' + y_p' = 2\alpha + (2\alpha x + \beta) = 2\alpha x + (2\alpha + \beta) ,

और xx से पहचान करने पर α=12\alpha = \frac12, β=−1\beta = -1 मिलते हैं: yp=x22−xy_p = \frac{x^2}2 - x। व्यापक हल: y=x22−x+λ+μ e−xy = \frac{x^2}2 - x + \lambda + \mu\,\eu^{-x}। यदि हमने yp=αx+βy_p = \alpha x + \beta का अनुमान लगाया होता (बहुलता की उपेक्षा करके), तो प्रतिस्थापन yp′′+yp′=αy_p'' + y_p' = \alpha देता, जो अचर है — α,β\alpha, \beta का कोई चयन xx से मेल नहीं खा सकता, और यह विफलता संरचनात्मक है: अचर तो पहले से ही समांगी समीकरण को हल करते हैं, अतः वे बाएँ पक्ष के लिए अदृश्य हैं। गुणनखंड xmx^m ठीक इसीलिए है कि समांगी हल-समष्टि से बाहर निकला जा सके।

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