2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

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Kreyszig by YHLee;100303; 2-1 Chapter 2. SecondOrder Linear Differential Equations 2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order A secondorder linear ODE is of the form of ( ) ( ) ( ) y pxy qxy rx ′′ + + = When ( ) 0 rx = , it is called homogeneous. ( ) ( ) 0 y pxy qxy ′′ + + = Example 4 sin x y y e x ′′ + = : nonhomogeneous linear ODE ( ) 2 1 2 6 0 x y xy y ′′ + = : homogeneous linear ODE ( ) 2 2 0 xyy y yy ′′ + + = : nonlinear ODE A solution of a secondorder ODE has derivatives ( ) ( ) and y h x y h x ′′ ′′ = = , and they satisfy the ODE on the given interval. Homogeneous Linear ODE: Superposition Principle Superposition Principle If 1 2 and y y are solutions to a homogeneous linear ODE in an open interval I, their linear combination, 1 1 2 2 cy cy + , is also a solution to the ODE in the interval. Proof: Insert 1 1 2 2 cy cy + into the eq. ( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 " ' y py qy cy cy pcy cy qcy cy ′′ + + + + + + + ( ) ( ) 1 1 1 1 2 2 2 2 " ' " ' 0 c y py qy c y py qy + + + + + Example 1 Homogeneous Linear ODE and Superposition Principle 0 y y ′′ − = solution and s x x e e ⎯⎯⎯→ Try 3 8 x x y e e =− + in the ODE ( ) ( ) 3 8 3 8 0 x x x x e e e e + −− + Example 2 A nonhomogeneous linear ODE solutions 1 =1+cos , =1+sin y y y x y x ′′ + = ⎯⎯⎯→ ( ) 2 1+cos and (1 cos ) (1 sin ) x x x + + + are not solutions to the ODE. Example 3 A nonlinear ODE solutions 2 0 = and =1 yy xy yx y ′′ = ⎯⎯⎯→ 2 2 and 1 x x + are not solutions

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Kreyszig by YHLee;100303; 2-1 Chapter 2.  Second‐Order Linear Differential Equations  

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order    A second‐order linear ODE is of the form of  

    ( ) ( ) ( )y p x y q x y r x′′ ′+ + =  

 •  When  ( ) 0r x = , it is called homogeneous. 

    ( ) ( ) 0y p x y q x y′′ ′+ + =  

    Example     4 sinxy y e x−′′ + =       : nonhomogeneous linear ODE       

    ( )21 2 6 0x y xy y′′ ′− − + =     : homogeneous linear ODE 

    ( )2 2 0x y y y y y′′ ′ ′+ + =     : nonlinear ODE 

  •  A solution of a second‐order ODE has derivatives  ( ) ( )  and  y h x y h x′ ′ ′′ ′′= = ,  

  and they satisfy the ODE on the given interval.   Homogeneous Linear ODE:  Superposition Principle   Superposition Principle   

If  1 2 and y y  are solutions to a homogeneous linear ODE in an open interval I,  

their linear combination,  1 1 2 2c y c y+ , is also a solution to the ODE in the interval. 

     Proof:     Insert  1 1 2 2c y c y+  into the eq. 

      ( ) ( ) ( )1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2  " 'y py qy c y c y p c y c y q c y c y′′ ′+ + ⇒ + + + + +  

          ( ) ( )1 1 1 1 2 2 2 2" ' " '

0

c y py qy c y py qy⇒ + + + + +

⇒ 

  Example 1  Homogeneous Linear ODE and Superposition Principle     0y y′′ − =     solution          and s x xe e−⎯⎯⎯→        Try  3 8x xy e e−= − +  in the ODE 

→ ( ) ( )3 8 3 8 0x x x xe e e e− −− + − − + ⇒  

  Example 2   A nonhomogeneous linear ODE      solutions1             =1+cos ,    =1+siny y y x y x′′ + = ⎯⎯⎯→         ( )2 1+cos   and  (1 cos ) (1 sin )x x x+ + +  are not solutions to the ODE.   

  Example 3    A nonlinear ODE     solutions 20      =   and   =1y y xy y x y′′ ′− = ⎯⎯⎯→       2 2  and   1x x− +  are not solutions 

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Kreyszig by YHLee;100303; 2-2  Initial Value Problem   A second‐order homogeneous linear ODE has a general solution of the form of      1 1 2 2y c y c y= +  

       1 2 and y y  are solutions that are not proportional, and  1 2and cc  are constants. 

    1 2 and y y  are also called basis of solutions. 

   An initial value problem for this ODE consists of two initial conditions, 

    ( ) ( ) 1,         'o o oy x K y x K= =  

   A particular solution is obtained when  1 2 and c c  are specified. 

  •  1 2 and y y  are linearly independent  if  ( ) ( )1 1 2 2 0k y x k y x+ =  can be satisfied only by  1 2= 0k k = . 

  1 2 and y y  are linearly dependent if  1 20  and   0k k≠ ≠ . 

  They are proportional in this case,  21 2

1

ky y

k= − . 

 •  A basis of solutions is a pair of linearly independent solutions.      Example 4    Initial value problem     0y y′′ + = ,      ( ) ( )0 3.0  and   0 0.5y y′= = −  

     The general solution is   

  1 2cos siny c x c x= +    

   By applying the initial conditions        ( ) ( ) ( )1 20 cos 0 sin 0 3.0y c c= + =      

    ( ) ( ) ( )1 20 sin 0 cos 0 0.5y c c′ = − + = −  

  →  3.0cos 0.5siny x x= −   Example 5  Basis   1 2cos  and  siny x y x= =  are solutions of  0y y′′ + = . 

  1 2/ cot constanty y x= ≠    →   1 2 and y y  are linearly independent and a basis for all x.  

  Therefore, a general solution is given by  1 2cos siny c x c x= +  

 Example 6  Basis   Solve the initial value problem     0y y′′ − = ,      ( ) ( )0 6  and   0 2y y′= = −  

        and x xe e−  are two solutions that are not proportional,   / constantx xe e− ≠ .   Therefore, the general solution is        1 2

x xy c e c e−= +   

    Apply the initial conditions        ( ) 0 0

1 20 6y c e c e= + = ,  ( ) 0 01 20 2y c e c e′ = − = −  

   The particular solution is     2 4x xy e e−= +  

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Kreyszig by YHLee;100303; 2-3 Find a Basis if One Solution Is Known.  Reduction of Order    Method of reduction of order     One solution is found by inspection.     The other solution can be obtained by solving a first‐order ODE.    Reduction of order for a homogeneous linear ODE.     ( ) ( ) 0y p x y q x y′′ ′+ + =    

   One solution  1y  is known. 

  Try     2 1y y uy= =  

  →   2 1 1' ' ' 'y y u y uy= = + ,    2 1 1 1" " " 2 ' ' "y y u y u y uy= = + +      

   Insert these into ODE     1 1 1 1 1 1

0

" '(2 ' ) ( " ' ) 0u y u y py u y py qy=

+ + + + + =                  

  Change of variable     'U u≡  

  →   1

1

2 '' 0

yU p U

y

⎛ ⎞+ + =⎜ ⎟⎝ ⎠

   Separation of variables and integration 

    1

1

2 'ydUp dx

U y

⎛ ⎞= − +⎜ ⎟

⎝ ⎠ 

  →   1ln 2lnU y pdx= − − ∫  

  →   21

1 pdxU e

y

−∫=  

 

  The second solution is  2 1 1y uy y Udx= = ∫  

  Example 7   Reduction of order 

  Solve  ( )2 " ' 0x x y xy y− − + =    

   The first solution  1y x=  is obtained by inspection. 

   Try   1 ,       ' ' ,       " " 2 'y uy ux y u x u y u x u= = = + = +  

   ODE becomes                         →        Change of variable,  'v u=                                                      →                →       →    

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Kreyszig by YHLee;100303; 2-4 2.2 Homogeneous Linear ODEs with Constant Coefficients      General form with constants a and b,     0y ay by′′ ′+ + =     We try  xy eλ=  as a solution 

   →   xy eλ′ = λ ,       2 xy eλ′′ = λ    

  →   ( )2 0xa b eλλ + λ + =  

   xy eλ=  is a solution if λ satisfies  

    2 0a bλ + λ + =       : characteristic equation    

  →   ( )21

14

2a a bλ = − + − ,         ( )2

2

14

2a a bλ = − − −  

    Case I.   two real roots if the discriminant  2 4 0a b− >      Case II.  a real double root if  2 4 0a b− =      Case III.  complex conjugate roots if  2 4 0a b− <    Case I. Two Distinct Real Roots λ λ1 2 and    1

1xy eλ=  and  2

2xy eλ=  constitute a basis . 

     The general solution is  

    1 21 2

x xy c e c eλ λ= +  

  Example 2   Initial value problem with distinct real roots   Solve       2 0y y y′′ ′+ − = ,      ( ) ( )0 4,    and    0 5,y y′= = −  

     The characteristic equation is  2 2 0λ + λ − = .     →  1 21,       2λ = λ = −     

    →    21 2

x xy c e c e−= +  

     From initial conditions       ( ) 1 20 4y c c= + =     and     ( ) 1 20 2 5y c c′ = − = −      

    →    1 21    and     3c c= =  

     Therefore        23x xy e e−= +  

  

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Kreyszig by YHLee;100303; 2-5 Case II. Real Double Root λ=‐a/2      When  2 4 0a b− = , roots of the characteristic equation are  1 2 / 2aλ = λ = −  

  ( )/21   a xy e−→ =  

     We need a second independent solution for a basis   Try  2 1y uy=  (method of reduction of order)  

    ( ) ( )1 1 1 1 1 12 0u y u y uy a u y uy buy′′ ′ ′ ′′ ′ ′+ + + + + =  

  ( ) ( )1 1 1 1 1 1

0 0

   2 0u y u y ay u y ay by= =

′′ ′ ′ ′′ ′→ + + + + + =      

  1 2   0,          u u c x c′′→ = = +  

   We choose  1 21,     0c c= =  to have  

    ( )/22

a xy xe−=  

   1 2 and  y y  are not proportional. 

  The general equation is 

    ( ) /21 2

axy c c x e−= +  

      Example 4    Initial value problem with a double root   Solve     0.25 0y y y′′ ′+ + = ,    ( ) ( )0 3,        0 3.5y y′= = −  

   The characteristic equation:    2 0.25 0λ + λ + =             1 2    0.5→ λ = λ = −  

  The general solution :   ( ) ( ) 0.51 2

xy x c c x e−= +  

  From the initial cond.:   ( ) 10 3y c= =     

            ( )0.5 0.52 1 2' 0.5x xy c e c c x e− −= − +   →     ( ) 2 10 0.5 3.5y c c′ = − = −  

  The particular solution :  ( ) ( ) 0.53 2 xy x x e−= −  

  Complex Roots  Complex Exponential Function   A complex exponential is defined for a given complex number  z r it= +  as     z r ite e e≡     Apply the Maclaurin series of  xe  for a real x to the complex exponential,   

   

( ) ( ) ( ) ( )2 3 4 5

2 4 3 5

1 ....2! 3! 4! 5!

      1 .... ...2! 4! 3! 5!

      cos sin

it it it it ite it

t t t ti t

t i t

= + + + + + +

⎛ ⎞= − + − + + − + − +⎜ ⎟

⎝ ⎠= +

 

 

  →    cos sinite t i t= +        : Euler formula    Note 

    ( ) ( )1 1cos ,     sin

2 2it it it itt e e t e e

i− −= + = −  

 

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Kreyszig by YHLee;100303; 2-6 • Two complex roots   When the radicand is negative,  2 4 0a b− < , 

    2 2 214 ( / 4) / 4

2a b b a i b a i− = − − = − = ω  

 

  Then     1 2,          2 2a a

i iλ = − + ω λ = − − ω  

     Two independent solutions are 

   ( )( )

/2 /2

/2 /2

= cos sin

= cos sin

ax i x ax

ax i x ax

e e e x i x

e e e x i x

− ω −

− − ω −

ω + ω

ω − ω      : A basis  

   The linear combination of these solutions 

   

/2 /2 /2

/2 /2 /2

1( + )= cos

21( ‐ )= sin

2

ax i x ax i x ax

ax i x ax i x ax

e e e e e x

e e e e e xi

− ω − − ω −

− ω − − ω −

ω

ω    : Another basis 

   Since we are dealing with a real function, we take the latter basis  

    ( )/2 cos sinaxy e A x B x−= ω + ω     

    Example 5  Initial value problem with complex roots   Solve    0.4 9.04 0y y y′′ ′+ + = ,    ( ) ( )0 0,        0 3y y′= =  

   The characteristic equation      2 0.4 9.04 0λ + λ + =         0.2 3i→ λ = − ±       The general solution     0.2 ( cos3 sin3 )xy e A x B x−= +     The initial condition     ( )0 0y A= =  

    0.2 0.2' ( 0.2 sin3 3 cos3 )x xy B e x e x− −= − +  

    ( )' 0 3 3y B= =  

   The particular solution     0.2 sin3xy e x−=   

  

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Kreyszig by YHLee;100303; 2-7 2.4 Modeling : Free Oscillations  Setting up the Model            Assumptions:     1. Vertical motion only.     2. Downward is + direction.     3. Spring mass is negligible.   • System in static equilibrium     1. Gravitational force :     1F mg=    m ,  mass of the body 

        (weight)          g ,  acceleration of gravity (980cm/sec2)        2. Restoring force:    2 oF ks= −   k , spring constant 

        (Hooke's law)          os , vertical displacement   

   The restoring force balances the weight      1 2 0oF F mg ks+ ⇒ − =          

 • System in motion     Force on the body:    1 ( )"oF m s y= +   force = mass X acceleration 

                  (Newton’s second law)     Restoring force of spring:    2 ( )oF k s y= − +   Hooke’s law 

  Undamped System   The net force on the body       ( )( )o om y s mg k y s′′+ = − +  

0

       omy mg ks ky=

′′→ = − −  

  The equation of motion,   →  0my ky′′ + =     The general solution      ( ) cos sino oy t A t B t= ω + ω         : Harmonic oscillation 

                   /o k mω =  

  ( ) ( )   cos oy t C t→ = ω −δ ,      :  2 2 ,     tan /C A B B A= + δ =           

                   / 2oω π ,  natural frequency.   

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Kreyszig by YHLee;100303; 2-8 Damped System    The damping force is proportional to the velocity     3F cv= −         : c,  damping constant   

   The net force on the body       ( ) ( )( ) 'o o om y s mg k y s c y s′′+ = − + − +    

   The equation of motion     0my cy ky′′ ′+ + =     The characteristic equation 

    2 0c km m

λ + λ + =  

    → λ = −α ±β     where  2 4

,     2 2c c mkm m

−α = β =  

    Case I. Overdamping  ( 2 4c mk> )      1 2,     λ = −α +β λ = −α −β     The general solution 

    ( ) ( ) ( )1 2

t ty t c e c e− α−β − α+β= +  

   Note        0α >β >      

  →     1 2 and  0λ λ <  

  →    0  as  y t→ →∞    

   

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Kreyszig by YHLee;100303; 2-9 Case II. Critical Damping  ( 2 4c mk= ) 

     1 2λ = λ = −α  

 The general solution   ( ) ( )1 2

ty t c c t e−α= +  

     0te−α > ,   ( )1 2 0c c t+ =  once only for  1 2 0c c < .    

  →   The mass can cross the equilibrium point only once.  The difference from case I is that this is on the border  and ready to oscillate with slight change of conditions.    

Case III. Underdamping  ( 2 4c mk< )  β  is pure imaginary. 

  1 2,     i iλ = −α + ω λ = −α − ω     : 2cm

α = ,    2

24k cm m

ω= −  

 The general solution  

 ( ) ( )cos sin

       cos( )

t

t

y t e A t B t

C e t

−α

−α

= ω + ω

⇒ ω −δ    : Damped oscillation        

                 2 2 2C A B= + ,  1tan /B A−δ =    

As  0c→ ,  the frequency ω  approaches to the natural frequency  /o k mω = . 

  

Example 2  Three cases of Damped Motion    (1)   210 ,        90 / ,        100 / sm Kg k Kg s c Kg= = =      

     The equation of motion:  ( ) ( )10 " 100 ' 90 0                           0 0.16,      ' 0 0y y y y y+ + = = =    

  The general solution:                 9 91 2 1 2,        ' 9t t t ty c e c e y c e c e− − − −= + = − −                                        

  The initial condition:     1 2 1 20.16,         9 0c c c c+ = − − =  

  The particular solution:  90.02 0.18t ty e e− −= − +     (2)   60 / sc Kg=  

  The characteristic equation:   210 60 90 0λ + λ + =    The general solution:    ( ) 3

1 2ty c c t e−= +  

  The particular solution:  ( ) 30.16 0.48 ty t e−= +  

  (3)   10 / sc Kg=  

  The characteristic equation:   210 10 90 0λ + λ + =    The general solution:    ( )0.5 cos2.96 sin2.96ty e A t B t−= +  

  The particular solution:  ( )0.50.162 cos 2.96 0.17ty e t−= −  

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Kreyszig by YHLee;100303; 2-10 2.5  Euler‐Cauchy Equations    Euler‐Cauchy equation is of the form, 

    2 0x y axy by′′ ′+ + =     Try  my x=  

  →  ( )2 2 11 0m m mx m m x axmx bx− −− + + =  

    ( )2 1 0m a m b+ − + =       : auxiliary equation     

   Two roots 

    ( ) ( )21

1 11 1

2 4m a a b= − + − − ,    ( ) ( )21

1 11 1

2 4m a a b= − − − −     (4) 

   my x= is a solution if and only if m is given by (4). 

  Case I.  Distinct real roots     1 2 and m m  are real and distinct. 

   The general solution is  

    1 21 2

m my c x c x= +   

      Case II.  Double root 

  The radicand  ( )211 0

4a b− − =  and   ( )1 / 2m a= −  

   Euler‐Cauchy equation, in this case, and its first solution 

    ( )2 211 0

4x y axy a y′′ ′+ + − = ,    ( )1 /2

1ay x −=  

   Use the reduction of order,  2 1y uy=  

    ( ) ( )2 11

1 1 1exp exp

a

aU pdx dx

x xy x −

⎛ ⎞= − ⇒ − ⇒⎜ ⎟⎝ ⎠∫ ∫  

    lnu Udx x= ⇒∫  

   The general solution is  

    ( ) ( )1 /21 2 ln

ay c c x x −= +  

      Case III.  Complex roots   Two roots are given by complex conjugate     1 2,                           m i m i= μ + ν = μ − ν       Two solutions could be  

    ( ) ( )ln ln,                i ii x i xx x e x x eν − νμ+ ν μ μ− ν μ= =  

   The general solution 

    ( ) ( )cos ln sin lny x A x B xμ= ν + ν⎡ ⎤⎣ ⎦  

 

Page 11: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-11 Example 1  Different real roots   Solve the Euler‐Cauchy equation,   2 1.5 0.5 0x y xy y′′ ′+ − =     The auxiliary equation,       2 0.5 0.5 0m m+ − =    →   0.5,   1m = −           The general solution 

    21

cy c x

x= +    

  Example 2  A double root   Solve   2 5 9 0x y xy y′′ ′− + =     The auxiliary equation     2 6 9 0m m− + =    →   A double root m=3    The general solution     ( ) 3

1 2 lny c c x x= +  

  Example 3   Complex roots   Solve   2 0.6 16.04 0x y xy y′′ ′+ + =     The auxiliary equation     2 0.4 16.04 0m m− + =     Two complex roots     1,2 0.2 4m i= ±  

     Two solutions are 

   ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

1

2

40.2 4 0.2 ln 0.2 (4ln ) 0.2

40.2 4 0.2 ln 0.2 (4ln ) 0.2

cos 4ln sin 4ln

cos 4ln sin 4ln

im i x i x

im i x i x

x x x e x e x x i x

x x x e x e x x i x

+

−− −

= ⇒ ⇒ ⇒ +⎡ ⎤⎣ ⎦

= ⇒ ⇒ ⇒ −⎡ ⎤⎣ ⎦ 

   By linear combinations of these, the general solution is 

    ( ) ( )0.2 cos 4ln sin 4lny x A x B x= +⎡ ⎤⎣ ⎦  

  Example 4   Electric Potential between Two Concentric Spheres   v(r) is given by a solution of     " 2 ' 0rv v+ =     ( ) ( )5 110 ,        10 0v r cm V v r cm V= = = =    

   The auxiliary equation,   2 0m m+ =    Roots are  0,     1m m= = −  

  The general solution,   ( ) 1 2 /v r c c r= +  

  The initial condition,   2 21 1110,       0

5 10

c cc c+ = + =  

  The particular solution,  ( ) 110 1100 /v r r= − +  

 

Page 12: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-12  

2.6  Existence and Uniqueness of Solutions.   Wronskian    A second‐order homogeneous linear ODE  

    ( ) ( ) 0y p x y q x y′′ ′+ + =  

   An initial condition 

    ( ) ( ) 1,   o o oy x K y x K′= =  

   A general solution     1 1 2 2y c y c y= +  

 Theorem 1. Existence and Uniqueness Theorem for Initial Value Problem 

If  ( ) ( ) and p x q x  are continuous functions on some open interval I, and  ox  is in I,    

then the initial value problem has a unique solution  ( )y x on the interval. 

  Proof:     It will not be presented here.    Linear Independence of Solutions        Two solutions  1 2,   y y  are linearly independent on I if 

    ( ) ( )1 1 2 2 0k y x k y x+ =  

  is satisfied only by  1 2 0k k= =  on I.    

   1 2,   y y are linearly dependent  if it is also satisfied by other than  1 2 0k k= = . 

  In this case  1 2,   y y are proportional, 

    1 2 2 1      or       y ky y ly= =   

  • Wronskian of two solutions  1 2 and  y y  

    ( ) 1 21 2 1 2 2 1

1 2

,y y

W y y y y y yy y

′ ′= = −′ ′

     

  Theorem 2  Linear Dependence and Independent solutions 

The coefficients  ( ) ( ) and p x q x are continuous on some open interval I.  

Two solutions  1 2 and  y y  are linearly dependent  if and only if W=0 at some  ox  on I.  

 If W=0 at an  ox x=  on I,  W=0 on entire I.  

 Two solutions are linearly independent on I if   0W ≠  at some  1x  on I.   

   Proof: 

(a) If  1y  and  2y  are linearly dependent on the interval I,   

then  1 2y ky= and  

        ( ) ( ) 2 21 2 2 2 2 2 2 2

2 2

, , 0ky y

W y y W ky y ky y y kyky y

′ ′⇒ ⇒ ⇒ − ⇒′ ′

   

 

Page 13: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-13     (b)  If  ( )1 2,   0W y y =  for some  ox x=  on I,     

         Consider the equation with unknowns  1 2and k k  

        ( ) ( )1 1 2 2 0o ok y x k y x+ =    

           Its derivative is             ( ) ( )1 1 2 2 0o ok y x k y x′ ′+ = .        (7) 

       Eliminate  2k  and combine   

        ( ) ( ) ( ) ( )1 1 2 1 1 2' ' 0o o o ok y x y x k y x y x− =  

      →   ( )1 1 2  ( ),    ( )  0o ok W y x y x =         :   1Either   0  or   0k W= =  

       Similarly         ( )2 1 2  ( ),    ( )  0o ok W y x y x =         :   2Either   0  or   0k W= =  

       ( )1 2  ( ),   ( )  0o oW y x y x = means that  1 2and k k can be other than  1 2 0k k= = .  

              Using these  1 2 and k k , define a function y(x) 

        ( ) ( ) ( )1 1 2 2y x k y x k y x= +         : Note x is used not xo 

       Its initial condition is, from (7),           ( ) ( )0,       ' 0o oy x y x= =  

               A solution with the initial condition can be         y=0.        This is a unique solution since  ( ) ( ) and p x q x  are continuous. 

      →   ( ) ( ) ( )1 1 2 2 0y x k y x k y x= + =  

       since  1 2 and k k can be other than  1 2 0k k= = ,  ( ) ( )1 2 and y x y x  are linearly dependent in whole I. 

      (c)  If  ( ) 0oW x =  at  ox  in I,   ( ) ( )1 2 and y x y x  are linearly dependent in whole  I.   [proof (b)]  

      If  ( ) ( )1 2 and y x y x  are linearly dependent in I,  ( )1 2,   0W y y =  in whole I.   [proof (a)] 

      Example 2  A double root   ( )1 2

xy c c x e= +  is the general solution of  2 0y y y′′ ′− + = . 

   The Wronskian   

    ( ) 2, 0x x xW e xe e= ≠  

   Two solutions   and x xe xe  are linearly independent.   

Page 14: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-14 A General Solution  Theorem 3  Existence of a general solution 

If  ( ) ( ) and p x q x  are continuous on some open interval I,  

then the ODE has a general solution on I.     Proof: This can be skipped     By theorem 1,  the ODE has a unique solution  ( )y x ,  a particular solution. 

     

    Let’s assume  ( ) ( ) ( )1 2y x y x y x= +  with   ( ) ( )( ) ( )

1 2

1 2 1

,      0

' 0,        'o o o

o o

y x K y x

y x y x K

= =⎡⎢

= =⎢⎣ 

           Their Wronskian 

      ( ) ( )( )1 2 1, 0o o oW y x y x K K= ≠  

     By theorem 2,   ( ) ( )1 2 and  yy x x  are linearly independent. 

     Their linear combination is also a solution,       1 1 2 2y c y c y= +  

  Theorem 4  A general solution includes all solutions 

If  ( ) ( ) and p x q x  are continuous on some open interval I,  

then every solution of the ODE,  ( )Y x , is of the form    

  ( ) ( ) ( )1 1 2 2Y x C y x C y x= +  

 Hence there is no solution not obtainable from a general solution, no singular solution. 

   Proof:  This can be skipped     By Theorem 3 the ODE has a general solution       ( ) ( ) ( )1 1 2 2Y x c y x c y x= +  

     One can always find  1 2and c c  that produce  ( )Y x .  

    At fixed  ox  in I  

      ( ) ( ) ( )1 1 2 2o o oc y x c y x Y x+ =  

      ( ) ( ) ( )1 1 2 2o o oc y x c y x Y x′ ′ ′+ =  

     Solve these.     Since the Wronskian  1 2 1 2' ' 0W y y y y= − ≠ , non‐trivial solution of  1 2and c c exists. 

     ( ) ( )

2 2 1 11 2

1 2 1 2 1 2 1 2

' ' ' ',      

' ' ' '

Yy y Y Y y y YC C

y y y y y y y y

− −= =

− − 

     A particular solution satisfying the initial conditions  ( ) ( ),    'o oY x Y x  

      ( ) ( ) ( )1 1 2 2y x C y x C y x= +  

           The uniqueness theorem 1 implies that       ( ) ( )y x Y x=  

       

Page 15: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-15 2.7  Nonhomogeneous ODEs    A nonhomogeneous linear ODE  

    ( ) ( ) ( )y p x y q x y r x′′ ′+ + =             (1) 

   The corresponding homogeneous ODE       ( ) ( ) 0y p x y q x y′′ ′+ + =             (2) 

  Definition  General Solution, Particular Solution  

  A general solution of the nonhomogeneous ODE is of the form     ( ) ( ) ( )h py x y x y x= +  

   1 1 2 2hy c y c y= +  is a general solution of the homogeneous ODE. 

  py  is a specific solution with no arbitrary constants. 

   A particular solution of nonhomogeneous ODE is obtained with specific values of  1 2 and c c . 

  Theorem 1   Relation between solutions of (1) and (2) 

(a) The sum of solutions of (1) and (2) on I is a solution of (1) on I.    (b) The difference of two solutions of (1) on I  is a solution of (2) on I.   

   Proof:     The left side of (1)    [ ]L y≡ .     Let   and y y  be two solutions of (1),  y be a solution of (2).  

(a) Insert  ( )y y+  into (1) 

[ ] [ ] [ ] ( ) ( )+ 0L y y L y L y r x r x= + = + =  

 (b) Insert  ( )y y−  into (1) 

[ ] [ ] [ ] ( ) ( )‐ 0L y y L y L y r x r x= − = − =  

      Theorem 2  A General Solution of a Nonhomogeneous ODE includes All Solutions 

If  ( ) ( ) ( ),   and p x q x r x  are continuous on some open interval I,  

every solution on I is obtained from the general solution by assigning values to  1 2and c c . 

   Proof:  skipped here      

Page 16: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-16 Method of Undetermined Coefficients      The specific solution  py  can be obtained by the method of undetermined coefficients 

  when ODE is of the form  

    ( )y ay by r x′′ ′+ + =       : a and b are constants 

    Choice Rules for the Method of Undetermined Coefficients 

  (A) Basic Rule        ( )Term in r x       Choice for  py  

      xkeγ         xCeγ        nkx  (n=0,1,2..)      1 1

1 1 0..n nn nK x K x K x K−

−+ + + +  

     cos

sin

k x

k x

ω ⎫⎬ω ⎭      cos sinK x M xω + ω  

     cos

sin

ax

ax

ke x

ke x

⎫ω ⎪⎬

ω ⎪⎭      ( )cos sinaxe K x M xω + ω  

     (B) Modification Rule     If the choice for  py  happens to be a solution of the homogeneous equation, try  pxy .  

    If the choice happens to be a double root of the characteristic equation, try  2px y   .   

   (C) Sum Rule     If  ( )r x  is a sum of the functions in the first column,  

    try the sum of the corresponding choice functions.   Example 1  Application of the basic rule   Solve  20.001y y x′′ + =     ( ) ( )0 0,      ' 0 1.5y y= =  

   The general solution of  0y y′′ + =       cos sinhy A x B x= +  

   Try  2

py Kx= ,   " 2py K=  

  →   2 22 0.001K Kx x+ =      →   22 ( 0.001) 0K x K+ − =      →   0  and   0.001K K= =   (contradiction !!)    Try  2

2 1p oy K x K x K= + +  

  →  2 22 2 12 0.001oK K x K x K x+ + + =  

  →  22 1 2( 0.001) ( 2 ) 0ox K K x K K− + + + =  

  →  2 10.001,     0,     0.002oK K K= = = −  

  →  20.001 0.002py x= −  

   The general solution is     2cos sin 0.001 0.002h py y y A x B x x= + = + + −  

   A=0.002,  B=1.5 are obtained from the initial conditions. 

Page 17: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-17 Example 2  Application of the modification rule   Solve  1.53 2.25 10 xy y y e−′′ ′+ + = − ,  ( ) ( )0 1,      ' 0 0y y= =  

   The characteristic equation     :   2 3 2.25 0λ + λ + =    The general solution       :   1.5

1 2( ) xhy c c x e−= +  

   The choice of  py  would be  1.5xCe− , but it is a double root of the characteristic equation. 

  Try  2 1.5xpy Cx e−=  in the ODE,   

    ( ) ( )2 2 22 6 2.25 3 2 1.5 2.25 10C x x C x x Cx− + + − + = −       →    C=‐5 

   The general solution of nonhomo. ODE  :   1.5 2 1.5

1 2( ) 5x xh py y y c c x e x e− −= + = + −  

     The initial condition     ( ) 10 1y c= = ,    ( ) 1.5 1.5 2 1.5

2 1 2' 1.5 1.5 10 7.5x x xy c c c x e xe x e− − −= − − − +   →     2 1.5c =  

 

  The particular solution    :   ( ) ( )1.5 2 1.5 2 1.51 1.5 5 1 1.5 5x x xy x e x e x x e− − −= + − = + −  

 Example 3  Application of the sum rule   Solve    ( ) ( )0.5" 2 ' 5 40cos10 190sin10 ,     0 0.16,     ' 0 40.08xy y y e x x y y+ + = + − = =  

     The characteristic equation    :  ( )( )2 2 5 1 2 1 2 0i iλ + λ + = λ + + λ + − =  

  The general solution       :  ( )cos2 sin2xhy e A x B x−= +      

  The specific solution      :  0.5 cos10 sin10xpy Ce K x M x= + +  

   Insert  hy  into the nonhomogeneous ODE 

   ( ) ( ) ( ) ( )0.5

0.5

0.25 2 0.5 5 100 cos100 100 sin10 2 10 sin10 10 cos10 5 cos10 sin10

40cos10 190sin10

x

x

Ce K x M x K x M x K x M x

e x x

+ + + − − + − + + +

= + −

   From the exponential term:    C=1/6.25   From the cosine term:    ‐100K+2∙10M+5K=40   From the sine term:    ‐100M‐2∙10K+5M=‐190  →    K=0,  M=2    The general solution of nonhomogeneous ODE     ( ) 0.5cos2 sin2 0.16 2sin10x x

h py y y e A x B x e x−= + = + + +      

   The initial condition     y(0) = A+0.16     ( ) 0.5' cos2 sin2 2 sin2 2 cos2 0.08 20cos10x xy e A x B x A x B x e x−= − − − + + +      

    ( )' 0 2 0.08 20 40.08y A B= − + + + =      →    B=10 

   The particular solution     0.510 sin2 0.16 2sin10x xy e x e x−= + +          Stability     If all roots of the characteristic equation of ODE ,  ( )y ay by r x′′ ′+ + = , are negative  or have a negative real part,  

    then,  0 as  0.hy x→ →    

    In this case the transient solution  h py y y= +  approaches the steady‐state solution  py . 

    The system is called stable. 

Page 18: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-18 2.8  Modeling : Forced Oscillations    In the presence of the external forces, the equation of motion is given by     ( )my cy ky r t′′ ′+ + =       :  ( )r t , forcing function, input, or  driving force 

                    ( )y t , output, or response of the system 

     For a periodic external force, ODE becomes     cosomy cy ky F t′′ ′+ + = ω       my′′  : force of inertia                 cy′    : damping force                 ky     : restoring force                 cosoF tω  : driving force 

   At each t,  the force of inertia, damping force and restoring force are in equilibrium with  ( )r t .  

  Solving the Nonhomogeneous ODE   Using the method of undetermined coefficient     ( ) cos sinpy t a t b t= ω + ω           (3) 

     By inserting  py  and its derivatives  

    ( ) ( )2 2cos sin cosok m a cb t ca k m b t F t⎡ ⎤ ⎡ ⎤− ω +ω ω + −ω + − ω ω = ω⎣ ⎦ ⎣ ⎦  

     By collecting coefficients of cosine and sine 

    ( ) ( )− ω +ω = −ω + − ω =2 2,          0ok m a cb F ca k m b  

  → ( )

( ) ( )

2 2

2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2,         =

o

o o

o o

m ca F b F

m c m c

ω −ω ω=

ω −ω +ω ω −ω +ω    :  /o k mω =  

   ( )

( ) ( )⎡ ⎤ ⎡ ⎤ω −ω ω⎢ ⎥ ⎢ ⎥= ω + ω⎢ ⎥ ⎢ ⎥ω −ω +ω ω −ω +ω⎣ ⎦ ⎣ ⎦

2 2

2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2cos sin

o

p o o

o o

m cy F t F t

m c m c     

  Case 1  Undamped Forced Oscillations.  Resonance   When the damping is neglected,  c=0 

  →  ( ) ( )2 2coso

p

o

Fy t t

m= ω

ω −ω 

   Using the previous result of the homogeneous solution (Section 2.4)     ( ) ( )cosh oy t C t= ω −δ  

   The general solution 

    ( ) ( ) ( )2 2cos coso

o

o

Fy t C t t

m= ω −δ + ω

ω −ω      : 

ωω

,  natural frequency

, frequency of driving forceo  

     Superposition of two harmonic oscillations.       

Page 19: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-19 Resonance   As  oω→ω , the oscillation amplitude goes to infinity. 

  This is called resonance.    At resonance, the nonhomogeneous ODE becomes 

      2 cosoo o

Fy y t

m′′ + ω = ω  

     By the modification rule       ( ) ( )cos sinp o oy t t a t b t= ω + ω  

     Insert this into ODE and find  0,    / 2o oa b F m= = ω   

        ( ) sin2

op o

o

Fy t t t

m= ω

ω 

   Beats 

  When ω ω≈ o  with initial conditions  ( ) ( )0 0,    0 0y y′= =  

    ( ) ( ) ( )2 20

cos cosoo

Fy t t t

m= ω − ω

ω −ω   

  →    ( ) ( )2 2

2sin sin

2 2o o o

o

Fy t t t

m

ω +ω ω −ω⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ω −ω ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 

          

Case 2  Damped Forced Oscillations When c > 0  but negligibly small,   ( ) ( )−α≈ ω + ωcos sint

h o oy t e A t B t     → ( ) = 0hy t  

      ↑         ↑      / 2c mα =       →∞As t                ( )py t ⇒ Steady state solution. 

             Harmonic oscillation with frequency equal to that of the input.     Amplitude of   py  

    Rewriting the above equation (3)       ( ) ( )* cospy t C t= ω −η  

     where   

     ( )

* 2 2

22 2 2 2 2

o

o

FC a b

m c= + =

ω −ω +ω    : Amplitude     

     ( )2 2

tano

b ca m

ωη= =

ω −ω      : Phase angle 

 

    C * has a maximum at  =ω

*

0dCd

→ ( )2

2 2 2 2 2 22

2   or  2o o

cc m

m= ω −ω ω = ω −  

      ( )*max 2 2 2

2

4o

o

mFC

c m cω =

ω −             

 

Page 20: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-20 2.9  Modeling: Electric Circuits 

   Different physical systems can be analyzed by the same mathematical model.   Equivalent electrical model is used to explain complicated systems.   Setting up the Model of RLC circuit                           Using Kirchhoff’s voltage law for a current I, 

  ′+ + = ω∫1

sinoRI Idt LI E tC

      

    / cosoLI RI I C E t′′ ′→ + + = ω ω  

  Solving the Equation    By the method of undetermined coeff.     ( ) cos sinpI t a t b t= ω + ω  

  →  ( ) ( )' sin cospI t a t b t= ω − ω + ω  

  →  ( ) ( )2" cos sinpI t a t b t= ω − ω − ω  

   Insert these into ODE      ( )2 cos sinL a t b tω − ω − ω + ( )sin cosR a t b tω − ω + ω + ω + ω(1/ )( cos sin )C a t b t cosoE t= ω ω  

  →   ( ) ( )2 2/ cos / sin 0oaL bR a C E t bL aR b C t− ω + ω+ − ω ω + − ω − ω+ ω =  

     Each parenthesis should be zero, 

   2 2

oE Sa

R S

−=

+,         

2 2oE R

bR S

=+

,     where  1

S LC

= ω −ω

,  reactance 

   Rewrite the solution 

    ( ) ( )sinp oI t I t= ω −θ ,        where    2 2oI a b= + ,     tan /a bθ = −    

 The characteristic equation 

    2 10

RL LC

λ + λ + =          →    1,2λ = −α ±β ,    where   / 2R Lα = ,     21 42

LR

L Cβ = −    

     The homogeneous solution       1 2

1 2t t

hI c e c eλ λ= +  

 As  t→∞ ,   0hI →  and   pI  becomes the steady state solution, 

which is a harmonic oscillation with the same frequency as the input. 

Page 21: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-21 Example 1  RLC Circuit   Find the current in an RLC circuit with  211 , 0.1 , 10R L H C F−= Ω = = with zero current and charge at t=0. 

   The ODE 

        The characteristic equation 

        The general solution of the homogeneous ODE 

          The specific solution from the method of undetermined coefficients 

        The coefficients 

        The general solution of nonhomogeneous ODE 

        The initial condition 

     

    From  1

sinoLI RI Idt E tC

′ + + = ω∫        →                                                                      →      ( )' 0 0I =  

          The particular solution 

      

   Analogy of Electrical and Mechanical Quantities      / cosoLI RI I C E t′′ ′+ + = ω ω   and   cosomy cy ky F t′′ ′+ + = ω  

     There is analogy:  L m− , R C− , 1 /C k− ,  ( ) ( )I t y t−  

Page 22: 2-1 2. Differential Equations 2.1 ODEs of Second Order

Kreyszig by YHLee;100303; 2-22 2.10  Solution by Variation of Parameters   The standard form of nonhomogeneous ODE   

    ( ) ( ) ( )y p x y q x y r x′′ ′+ + =  

   When p, q, and r are continuous on I 

    ( ) 2 11 2p

y r y ry x y dx y dx

W W= − +∫ ∫    

    where  1 2 and y y  form a basis of solutions of homogeneous ODE,  1 2 1 2W y y y y′ ′= − . 

 Derivation   Continuous p and q  gives a general solution of the homogeneous ODE     ( ) ( ) ( )1 1 2 2hy x c y x c y x= +  

   In the method of variation of parameters we try  

    ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 2py x u x y x v x y x= +     →     1 1 2 2py u y uy v y vy′ ′ ′ ′ ′= + + +  

   Two unknowns   and u v require two conditions.    

   we assume    1 2 0u y v y′ ′+ = .              (a)       

     Then,   1 2py uy vy′ ′ ′= +  

   Inserting  ,    ',    "p p py y y  into ODE  

    ( ) ( )1 1 1 2 2 2 1 2u y py qy v y py qy u y v y r′′ ′ ′′ ′ ′ ′ ′ ′+ + + + + + + =   →    1 2u y v y r′ ′ ′ ′+ = .  (b) 

   Combine (a) and (b),  and cancel v’ 

    ( )1 2 1 2 2u y y y y y r′ ′ ′− = −      2    u W y r′→ = −     →   2y ru dx

W= −∫  

   Similarly, cancel in (a) and (b) 

    ( )1 2 1 2 1v y y y y y r′ ′ ′− =   1   v W y r′→ =     →   1y rv dx

W= ∫        

   Using the results of   and u v , we can check     1 2 0u y v y′ ′+ =  

  Example 1  Method of Variation of Parameter   Solve   secy y x′′ + =     From the homogeneous ODE,  a basis of solution is       1 2cos ,        siny x y x= =    

   The Wronskian     ( )cos cos sin sin 1W x x x x= − − =  

   From variation of parameters 

    cos sin sec sin cos sec cos ln cos sinpy x x xdx x x xdx x x x x= − + ⇒ +∫ ∫  

       The general solution     1 2cos sin cos ln cos siny c x c x x x x x= + + +