Esimerkit : Lineaariset yhtälöt

Homogeenisen kolmannen kertaluvun lineaariyhtälön yleinen ratkaisu

Kolmannen kertaluvun lineaarisella ja homogeenisella differentiaaliyhtälöllä

(x - 1)y''' - xy'' + y' = 0

on ilmeisestikin ratkaisuna vakiofunktio, esimerkiksi y1(x) = 1. Koska kerroinfunktioiden x - 1, -x ja 1 summa on = 0, on ratkaisuna myös eksponenttifunktio y2(x) = ex. Melko helposti on havaittavissa, että lisäksi funktio y3(x) = x2 toteuttaa yhtälön.

Lineaarista ja homogeenista yhtälöä koskeva teoria sanoo tällöin, että yhtälön yleinen ratkaisu saadaan näistä:

y = C1 + C2ex + C3x2.

Edellytyksenä on, että funktiot 1, ex ja x2 ovat lineaarisesti riippumattomia. Näin kuitenkin on, mikä nähdään esimerkiksi sijoittamalla testiyhtälöön c1 + c2ex + c3x2 = 0 arvot x = 0, x = 1, x = -1 ja ratkaisemalla saatu lineaarinen yhtälöryhmä

  c1 + c2 = 0,
{
  c1 + ec2 + c3 = 0,
       1-
  c1 + e c2 + c3 = 0.

Saatu yleinen ratkaisu on kaikkialla säännöllinen. Differentiaaliyhtälö ei kuitenkaan täytä alkuarvoprobleeman ratkaisun olemassaoloa koskevan lauseen ehtoja. Normaalimuodossa differentiaaliyhtälö nimittäin on

y''' -   x
------
x - 1 y'' +   1
------
x - 1 y' = 0,

joten vaatimukset kerroinfunktioiden jatkuvuudesta eivät täyty välillä, joka sisältää pisteen x = 1. Ratkaisujen kannalta ei tämä piste kuitenkaan näytä poikkeukselliselta ainakaan ensi näkemältä. Se on kuitenkin piste, jossa yhtälön ratkaisu ei toteuta mitä tahansa alkuehtoa. Yleisen ratkaisun derivaatat nimittäin ovat

y' = C2ex + 2C3x  ja  y'' = C2ex + 2C3,

ja pisteessä x = 1 nämä saavat saman arvon vakioista C2 ja C3 riippumatta. Ratkaisua ei siis löydy, jos alkuehdossa vaaditaan, että y'(1) ja y''(1) saavat eri suuret arvot.


Teoria: homogeenisen yhtälö ratkaisujoukko
Teoria: lineaarinen riippumattomuus
Teoria: lineaariyhtälön ratkaisun olemassaolo
Teoria: alkuehto

SKK 15.5.2001