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E. RICHIAMI SULLE EQUAZIONI DIFFERENZIALI LINEARI 205
(2) Risoluzione dell’equazione lineare non omogenea di grado n: Se ϕ1, ..., ϕn sono un sistema
fondamentale di soluzioni per:
y (n) + an−1(t)y (n−1) + ... + a1(t)y ′ + a0(t)y = 0
allora la soluzione dell’equazione non omogenea
y (n) + an−1(t)y (n−1) + ... + a1(t)y ′ + a0(t)y = b(t)
che è nulla in t0 ∈ I assieme a tutte le sue derivate fino all’ordine n − 1 è data da:
n
ϕ0(t) = γj(t)ϕj(t)
dove:
con w(t) e wj(t) come sopra.
γj(t) =
t
t0
j=1
(−1)
n+j wj(τ)
w(τ)
b(τ) dτ
Proposizione E.14. Data l’equazione differenziale lineare di ordine n a coefficienti costanti:
y (n) + an−1y (n−1) + ... + a1y ′ + a0y = b(t),
l’omogenea associata è y (n) + an−1y (n−1) + ... + a1y ′ + a0y = 0. Il loro polinomio caratteristico è p(z) =
z n + an−1z n−1 + ... + a1z + a0. Se λ è radice di p(z) di molteplicità ν, allora l’omogenea associata ammette
soluzioni: e λt , te λt , ..., t ν−1 e λt . Per ogni coppia di soluzioni complesse coniugate λ = αj + iβj , ¯ λ = αj − iβj
possiamo sostituire alle soluzioni: t k e λjt , t k e ¯ λjt le soluzioni t k e αjt cos(βjt), t k e αjt sin(βjt).
Particolarmente significativo è il caso n = 2, per il quale si ha:
Definizione E.15 (Equazioni lineari del secondo ordine a coefficienti costanti). Data un’equazione differenziale
lineare omogenea del secondo ordine a coefficienti costanti:
y ′′ (t) + py ′ (t) + qy(t) = 0
e dette α, β ∈ K le radici dell’equazione caratteristica ζ 2 +pζ +q = 0, allora le soluzioni dell’equazione omogenea
si scrivono in modo unico come:
y(t) = c1e αt + c2e βt se α = β
y(t) = c1e αt + c2te αt se α = β
al variare di c1, c2 ∈ K.
Nel caso particolare di equazioni del tipo y ′ + ω 2 y = 0, con ω ∈ R, grazie alle formule di Eulero le soluzioni si
scrivono anche:
y(t) = c1 cos(ωt) + c2 sin(ωt) = A cos(ωt + φ)
al variare di c1, c2, A, φ ∈ K.
Date le condizioni iniziali y(t0) = y0 e y ′ (t0) = y ′ 0, t0 ∈ I, e dette α, β ∈ K le radici dell’equazione caratteristica
ζ 2 + pζ + q = 0, esiste una ed una sola soluzione in C 2 (I, K) dell’equazione y ′′ (t) + py ′ (t) + qy(t) = b(t)
soddisfacente a tali condizioni:
(1) se α = β si ha:
(2) se α = β si ha:
y(t) = y′ 0 − βy0
α − β eα(t−t0) + y′ 0 − αy0
β − α eβ(t−t0) +
y(t) = y0e α(t−t0) + (y ′ 0 − αy0)(t − t0)e α(t−t0) +
Se b(t) = 0 (caso omogeneo) e si ha y0 = y ′ 0 = 0 allora y = 0 identicamente.
t
t0
eα(t−s) − eβ(t−s) b(s) ds
α − β
t
t0
(t − s)e α(t−s) b(s) ds
Il seguente risultato permette di determinare una soluzioni particolare per equazioni differenziali lineare di
ordine n a coefficienti costanti non omogenee in cui il termine noto abbia una certa forma. Daremo diverse
versioni di tale risultato, oltre a quella più generale.