Как найти константу в уравнении

Видео:Влияние концентрации на скорость химических реакций. 10 класс.Скачать

Влияние концентрации на скорость химических реакций. 10 класс.

Примеры решения дифференциальных уравнений с ответами

Простое объяснение принципов решения дифференциальных уравнений и 10 наглядных примеров. В каждом примере поэтапный ход решения и ответ.

Видео:Химическое равновесие. Константа равновесия. 10 класс.Скачать

Химическое равновесие. Константа равновесия.  10 класс.

Алгоритм решения дифференциальных уравнений

Дифференциальные уравнения не так сильно отличаются от привычных уравнений, где необходимо найти переменную x , как кажется на первый взгляд. Всё различие лишь в том, что в дифференциальных уравнениях мы ищем не переменную, а функцию у(х) , с помощью которой можно обратить уравнение в равенство.

Дифференциальное уравнение – это уравнение, содержащее саму функцию (y=y(x)), производные функции или дифференциалы (y′, y″) и независимые переменные (наиболее распространённая – х). Обыкновенным дифференциальным уравнением называют уравнение, в котором содержится неизвестная функция под знаком производной или под знаком дифференциала.

Чтобы решить ДУ, необходимо найти множество всех функций, которые удовлетворяют данному уравнению. Это множество в большинстве случаев выглядит следующим образом:y=f(x; С), где С – произвольная постоянная.

Проверить решённое ДУ можно, подставив найденную функцию в изначальное уравнение и убедившись, что уравнение обращается в тождество (равенство).

Видео:Решение задач на тему: "Нахождение константы равновесия и равновесных концентраций". 1ч. 10 класс.Скачать

Решение задач на тему: "Нахождение константы равновесия и равновесных концентраций". 1ч. 10 класс.

Примеры решения дифференциальных уравнений

Задание

Решить дифференциальное уравнение xy’=y.

Решение

В первую очередь, необходимо переписать уравнение в другой вид. Пользуясь

Как найти константу в уравнении

переписываем дифференциальное уравнение, получаем

Как найти константу в уравнении

Дальше смотрим, насколько реально разделить переменные, то есть путем обычных манипуляций (перенос слагаемых из части в часть, вынесение за скобки и пр.) получить выражение, где «иксы» с одной стороны, а «игреки» с другой. В данном уравнении разделить переменные вполне реально, и после переноса множителей по правилу пропорции получаем

Как найти константу в уравнении

Далее интегрируем полученное уравнение:

Как найти константу в уравнении

В данном случае интегралы берём из таблицы:

Как найти константу в уравнении

После того, как взяты интегралы, дифференциальное уравнение считается решённым. Решение дифференциального уравнения в неявном виде называется общим интегралом дифференциального уравнения.

Как найти константу в уравнении

– это общий интеграл. Также для удобства и красоты, его можно переписать в другом виде: y=Cx, где С=Const

Ответ

Задание

Найти частное решение дифференциального уравнения

Как найти константу в уравнении

Решение

Действуем по тому же алгоритму, что и в предыдущем решении.

Переписываем производную в нужном виде, разделяем переменные и интегрируем полученное уравнение:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Получили общий интеграл.Далее, воспользуемся свойством степеней, выразим у в «общем» виде и перепишем функцию:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Если – это константа, то

Как найти константу в уравнении0]» title=»Rendered by QuickLaTeX.com» />

– тоже некоторая константа, заменим её буквой С:

Как найти константу в уравнении

– убираем модуль и теперь константа может принимать и положительные, и отрицательные значения.

Получаем общее решение:

Как найти константу в уравнении

Ответ

Как найти константу в уравнении

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Как найти константу в уравнении

Решение

В первую очередь необходимо переписать производную в необходимом виде:

Как найти константу в уравнении

Второй шаг – разделение переменных и перенос со сменой знака второго слагаемого в правую часть:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

После разделения переменных, интегрируем уравнение, как в примерах выше.

Как найти константу в уравнении

Чтобы решить интегралы из левой части, применим метод подведения функции под знак дифференциала:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

В ответе мы получили одни логарифмы и константу, их тоже определяем под логарифм.

Далее упрощаем общий интеграл:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Приводим полученный общий интеграл к виду: F(x,y)=C:

Как найти константу в уравнении

Чтобы ответ смотрелся красивее, обе части необходимо возвести в квадрат.

Ответ

Как найти константу в уравнении

Задание

Найти частное решение дифференциального уравнения

Как найти константу в уравнении

удовлетворяющее начальному условию y(0)=ln2.

Решение

Первый шаг – нахождение общего решения. То, что в исходном уравнении уже находятся готовые дифференциалы dy и dx значительно упрощает нам решение.

Начинаем разделять переменные и интегрировать уравнение:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Мы получили общий интеграл и следующий шаг – выразить общее решение. Для этого необходимо прологарифмировать обе части. Знак модуля не ставим, т.к. обе части уравнения положительные.

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Получаем общее решение:

Как найти константу в уравнении

Далее необходимо найти частное решение, которое соответствует заданному начальному условию y(0)=ln2.

В общее решение вместо «икса» подставляем ноль, а вместо «игрека» логарифм двух:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Подставляем найденное значение константы C=1 в общее решение.

Ответ

Как найти константу в уравнении

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Как найти константу в уравнении

Решение

При внимательном разборе данного уравнения видно, что можно разделить переменные, что и делаем, после интегрируем:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

В данном случае константу C считается не обязательным определять под логарифм.

Ответ

Как найти константу в уравнении

Задание

Найти частное решение дифференциального уравнения

Как найти константу в уравнении

удовлетворяющее начальному условию y(1)=e. Выполнить проверку.

Решение

Как и в предыдущих примерах первым шагом будет нахождение общего решения. Для этого начинаем разделять переменные:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Общий интеграл получен, осталось упростить его. Упаковываем логарифмы и избавляемся от них:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

можно выразить функцию в явном виде.

Как найти константу в уравнении

Осталось найти частное решение, удовлетворяющее начальному условию y(1)=e.

Как найти константу в уравнении

Подставляем найденное значение константы C=1 в общее решение.

Ответ

Как найти константу в уравнении

Проверка

Необходимо проверить, выполняется ли начальное условие:

Как найти константу в уравнении

Из равенства выше видно, что начальное условие y(1)=e выполнено.

Далее проводим следующую проверку: удовлетворяет ли вообще частное решение

Как найти константу в уравнении

дифференциальному уравнению. Для этого находим производную:

Как найти константу в уравнении

Подставим полученное частное решение

Как найти константу в уравнении

и найденную производную в исходное уравнение

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Получено верное равенство, значит, решение найдено правильно.

Задание

Найти общий интеграл уравнения

Как найти константу в уравнении

Решение

Данное уравнение допускает разделение переменных. Разделяем переменные и интегрируем:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Ответ

Как найти константу в уравнении

Задание

Найти частное решение ДУ.

Как найти константу в уравнении

Решение

Данное ДУ допускает разделение переменных. Разделяем переменные:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Найдем частное решение (частный интеграл), соответствующий заданному начальному условию

Как найти константу в уравнении

Подставляем в общее решение

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Ответ

Как найти константу в уравнении

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Как найти константу в уравнении

Решение

Данное уравнение допускает разделение переменных. Разделяем переменные и интегрируем:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Левую часть интегрируем по частям:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

В интеграле правой части проведем замену:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

(здесь дробь раскладывается методом неопределенных коэффициентов)

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Ответ

Как найти константу в уравнении

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Как найти константу в уравнении

Решение

Данное уравнение допускает разделение переменных.

Разделяем переменные и интегрируем:

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Методом неопределенных коэффициентов разложим подынтегральную функцию в сумму элементарных дробей:

Видео:Химическое равновесие. Закон действующих масс.Скачать

Химическое равновесие. Закон действующих масс.

Методические рекомендации для преподавателей математики и студентов средних специальных учебных заведений по теме «Дифференциальные уравнения»

Разделы: Математика

I. Обыкновенные дифференциальные уравнения

1.1. Основные понятия и определения

Дифференциальным уравнением называется уравнение, связывающее между собой независимую переменную x, искомую функцию y и её производные или дифференциалы.

Символически дифференциальное уравнение записывается так:

Дифференциальное уравнение называется обыкновенным, если искомая функция зависит от одного независимого переменного.

Решением дифференциального уравнения называется такая функция Как найти константу в уравнении, которая обращает это уравнение в тождество.

Порядком дифференциального уравнения называется порядок старшей производной, входящей в это уравнение

1. Рассмотрим дифференциальное уравнение первого порядка

Как найти константу в уравнении

Решением этого уравнения является функция y = 5 ln x. Действительно, Как найти константу в уравнении, подставляя y’ в уравнение, получим Как найти константу в уравнении– тождество.

А это и значит, что функция y = 5 ln x– есть решение этого дифференциального уравнения.

2. Рассмотрим дифференциальное уравнение второго порядка y» — 5y’ +6y = 0. Функция Как найти константу в уравнении– решение этого уравнения.

Действительно, Как найти константу в уравнении.

Подставляя эти выражения в уравнение, получим: Как найти константу в уравнении, Как найти константу в уравнении– тождество.

А это и значит, что функция Как найти константу в уравнении– есть решение этого дифференциального уравнения.

Интегрированием дифференциальных уравнений называется процесс нахождения решений дифференциальных уравнений.

Общим решением дифференциального уравнения называется функция вида Как найти константу в уравнении,в которую входит столько независимых произвольных постоянных, каков порядок уравнения.

Частным решением дифференциального уравнения называется решение, полученное из общего решения при различных числовых значениях произвольных постоянных. Значения произвольных постоянных находится при определённых начальных значениях аргумента и функции.

График частного решения дифференциального уравнения называется интегральной кривой.

1.Найти частное решение дифференциального уравнения первого порядка

xdx + ydy = 0, если y = 4 при x = 3.

Решение. Интегрируя обе части уравнения, получим Как найти константу в уравнении

Замечание. Произвольную постоянную С, полученную в результате интегрирования, можно представлять в любой форме, удобной для дальнейших преобразований. В данном случае, с учётом канонического уравнения окружности произвольную постоянную С удобно представить в виде Как найти константу в уравнении.

Как найти константу в уравнении— общее решение дифференциального уравнения.

Частное решение уравнения, удовлетворяющее начальным условиям y = 4 при x = 3 находится из общего подстановкой начальных условий в общее решение: 3 2 + 4 2 = C 2 ; C=5.

Подставляя С=5 в общее решение, получим x 2 +y 2 = 5 2 .

Это есть частное решение дифференциального уравнения, полученное из общего решения при заданных начальных условиях.

2. Найти общее решение дифференциального уравнения Как найти константу в уравнении

Решением этого уравнения является всякая функция вида Как найти константу в уравнении, где С – произвольная постоянная. Действительно, подставляя в уравнения Как найти константу в уравнении, получим: Как найти константу в уравнении, Как найти константу в уравнении.

Следовательно, данное дифференциальное уравнение имеет бесконечное множество решений, так как при различных значениях постоянной С равенство Как найти константу в уравненииопределяет различные решения уравнения Как найти константу в уравнении.

Например, непосредственной подстановкой можно убедиться, что функции Как найти константу в уравненииявляются решениями уравнения Как найти константу в уравнении.

Задача, в которой требуется найти частное решение уравнения y’ = f(x,y) удовлетворяющее начальному условию y(x0) = y0, называется задачей Коши.

Решение уравнения y’ = f(x,y), удовлетворяющее начальному условию, y(x0) = y0, называется решением задачи Коши.

Решение задачи Коши имеет простой геометрический смысл. Действительно, согласно данным определениям, решить задачу Коши y’ = f(x,y) при условии y(x0) = y0,, означает найти интегральную кривую уравнения y’ = f(x,y) которая проходит через заданную точку M0(x0,y0).

II. Дифференциальные уравнения первого порядка

2.1. Основные понятия

Дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение вида F(x,y,y’) = 0.

В дифференциальное уравнение первого порядка входит первая производная и не входят производные более высокого порядка.

Уравнение y’ = f(x,y) называется уравнением первого порядка, разрешённым относительно производной.

Общим решением дифференциального уравнения первого порядка называется функция вида Как найти константу в уравнении, которая содержит одну произвольную постоянную.

Пример. Рассмотрим дифференциальное уравнение первого порядка Как найти константу в уравнении.

Решением этого уравнения является функция Как найти константу в уравнении.

Действительно, заменив в данном уравнении, Как найти константу в уравненииего значением, получим

Как найти константу в уравнении Как найти константу в уравнениито есть 3x=3x

Следовательно, функция Как найти константу в уравненииявляется общим решением уравнения Как найти константу в уравнениипри любом постоянном С.

Найти частное решение данного уравнения, удовлетворяющее начальному условию y(1)=1 Подставляя начальные условия x = 1, y =1 в общее решение уравнения Как найти константу в уравнении, получим Как найти константу в уравненииоткуда C = 0.

Таким образом, частное решение получим из общего Как найти константу в уравненииподставив в это уравнение, полученное значение C = 0 Как найти константу в уравнении Как найти константу в уравнении– частное решение.

2.2. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными

Дифференциальным уравнением с разделяющимися переменными называется уравнение вида: y’=f(x)g(y) или через дифференциалы Как найти константу в уравнении, где f(x) и g(y)– заданные функции.

Для тех y, для которых Как найти константу в уравнении, уравнение y’=f(x)g(y) равносильно уравнению, Как найти константу в уравнениив котором переменная y присутствует лишь в левой части, а переменная x- лишь в правой части. Говорят, «в уравнении y’=f(x)g(y разделим переменные».

Уравнение вида Как найти константу в уравненииназывается уравнением с разделёнными переменными.

Проинтегрировав обе части уравнения Как найти константу в уравнениипо x, получим G(y) = F(x) + C– общее решение уравнения, где G(y) и F(x) – некоторые первообразные соответственно функций Как найти константу в уравнениии f(x), C произвольная постоянная.

Алгоритм решения дифференциального уравнения первого порядка с разделяющимися переменными

  1. Производную функции переписать через её дифференциалы Как найти константу в уравнении
  2. Разделить переменные.
  3. Проинтегрировать обе части равенства, найти общее решение.
  4. Если заданы начальные условия, найти частное решение.

Решить уравнение y’ = xy

Решение. Производную функции y’ заменим на Как найти константу в уравненииКак найти константу в уравнении

разделим переменные Как найти константу в уравненииКак найти константу в уравнении

проинтегрируем обе части равенства:

Как найти константу в уравнении

Ответ: Как найти константу в уравнении

Найти частное решение уравнения

Это—уравнение с разделенными переменными. Представим его в дифференциалах. Для этого перепишем данное уравнение в виде Как найти константу в уравненииОтсюда Как найти константу в уравнении

Интегрируя обе части последнего равенства, найдем Как найти константу в уравнении

Подставив начальные значения x0 = 1, y0 = 3 найдем С 9=1-1+C, т.е. С = 9.

Следовательно, искомый частный интеграл будет Как найти константу в уравненииили Как найти константу в уравнении

Составить уравнение кривой, проходящей через точку M(2;-3) и имеющей касательную с угловым коэффициентом Как найти константу в уравнении

Решение. Согласно условию Как найти константу в уравнении

Это уравнение с разделяющимися переменными. Разделив переменные, получим: Как найти константу в уравнении

Проинтегрировав обе части уравнения, получим: Как найти константу в уравнении

Используя начальные условия, x = 2 и y = — 3 найдем C:

Как найти константу в уравнении

Следовательно, искомое уравнение имеет вид Как найти константу в уравнении

2.3. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка

Линейным дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение вида y’ = f(x)y + g(x)

где f(x) и g(x) — некоторые заданные функции.

Если g(x)=0 то линейное дифференциальное уравнение называется однородным и имеет вид: y’ = f(x)y

Если Как найти константу в уравнениито уравнение y’ = f(x)y + g(x) называется неоднородным.

Общее решение линейного однородного дифференциального уравнения y’ = f(x)y задается формулой: Как найти константу в уравнениигде С – произвольная постоянная.

В частности, если С =0, то решением является y = 0 Если линейное однородное уравнение имеет вид y’ = ky где k — некоторая постоянная, то его общее решение имеет вид: Как найти константу в уравнении.

Общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения y’ = f(x)y + g(x) задается формулой Как найти константу в уравнении,

т.е. равно сумме общего решения соответствующего линейного однородного уравнения и частного решения Как найти константу в уравненииданного уравнения.

Для линейного неоднородного уравнения вида Как найти константу в уравненииy’ = kx + b,

где k и b— некоторые числа и Как найти константу в уравнениичастным решением будет являться постоянная функция Как найти константу в уравнении. Поэтому общее решение имеет вид Как найти константу в уравнении.

Пример. Решить уравнение y’ + 2y +3 = 0

Решение. Представим уравнение в виде y’ = -2y — 3 где k = -2, b= -3 Общее решение задается формулой Как найти константу в уравненииКак найти константу в уравнении.

Следовательно, Как найти константу в уравнениигде С – произвольная постоянная.

Ответ: Как найти константу в уравнении

2.4. Решение линейных дифференциальных уравнений первого порядка методом Бернулли

Нахождение общего решения линейного дифференциального уравнения первого порядка y’ = f(x)y + g(x) сводится к решению двух дифференциальных уравнений с разделенными переменными с помощью подстановки y=uv, где u и v — неизвестные функции от x. Этот метод решения называется методом Бернулли.

Алгоритм решения линейного дифференциального уравнения первого порядка

1. Ввести подстановку y=uv.

2. Продифференцировать это равенство y’ = u’v + uv’

3. Подставить y и y’ в данное уравнение: u’v + uv’ = f(x)uv + g(x) или u’v + uv’ + f(x)uv = g(x).

4. Сгруппировать члены уравнения так, чтобы u вынести за скобки: Как найти константу в уравненииКак найти константу в уравнении

5. Из скобки, приравняв ее к нулю, найти функцию Как найти константу в уравненииКак найти константу в уравнении

Это уравнение с разделяющимися переменными: Как найти константу в уравнении

Разделим переменные и получим: Как найти константу в уравнении

Откуда Как найти константу в уравнении. Как найти константу в уравнении.

6. Подставить полученное значение v в уравнение Как найти константу в уравнении(из п.4):

Как найти константу в уравнении

и найти функцию Как найти константу в уравненииЭто уравнение с разделяющимися переменными: Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

7. Записать общее решение в виде: Как найти константу в уравненииКак найти константу в уравнении, т.е. Как найти константу в уравнении.

Найти частное решение уравнения y’ = -2y +3 = 0 если y =1 при x = 0

Решение. Решим его с помощью подстановки y=uv, .y’ = u’v + uv’

Подставляя y и y’ в данное уравнение, получим Как найти константу в уравнении

Сгруппировав второе и третье слагаемое левой части уравнения, вынесем общий множитель u за скобкиКак найти константу в уравнении

Выражение в скобках приравниваем к нулю и, решив полученное уравнение, найдем функцию v = v(x)Как найти константу в уравнении

Получили уравнение с разделенными переменными. Проинтегрируем обе части этого уравнения: Как найти константу в уравненииНайдем функцию v: Как найти константу в уравнении

Подставим полученное значение v в уравнение Как найти константу в уравненииПолучим: Как найти константу в уравнении

Это уравнение с разделенными переменными. Проинтегрируем обе части уравнения: Как найти константу в уравненииНайдем функцию u = u(x,c) Как найти константу в уравненииНайдем общее решение: Как найти константу в уравненииНайдем частное решение уравнения, удовлетворяющее начальным условиям y = 1 при x = 0: Как найти константу в уравнении

Ответ: Как найти константу в уравнении

III. Дифференциальные уравнения высших порядков

3.1. Основные понятия и определения

Дифференциальным уравнением второго порядка называется уравнение, содержащее производные не выше второго порядка. В общем случае дифференциальное уравнение второго порядка записывается в виде: F(x,y,y’,y») = 0

Общим решением дифференциального уравнения второго порядка называется функция вида Как найти константу в уравненииКак найти константу в уравнении, в которую входят две произвольные постоянные C1 и C2.

Частным решением дифференциального уравнения второго порядка называется решение, полученное из общего Как найти константу в уравнениипри некоторых значениях произвольных постоянных C1 и C2.

3.2. Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.

Линейным однородным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами называется уравнение вида y» + py’ +qy = 0, где pи q— постоянные величины.

Алгоритм решения однородных дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами

1. Записать дифференциальное уравнение в виде: y» + py’ +qy = 0.

2. Составить его характеристическое уравнение, обозначив через r 2 , y’ через r, yчерез 1: Как найти константу в уравненииr 2 + pr +q = 0

3.Вычислить дискриминант D = p 2 -4q и найти корни характеристического уравнения; при этом если:

а) D > 0; следовательно, характеристическое уравнение имеет два различных действительных корня Как найти константу в уравнении. Общее решение дифференциального уравнения выражается в виде Как найти константу в уравнении, где C1 и C2 — произвольные постоянные.

б) D = 0; следовательно, характеристическое уравнение имеет равные действительные корни Как найти константу в уравнении. Общее решение дифференциального уравнения выражается в виде Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

Общее решение Как найти константу в уравнении

Дифференцируя общее решение, получим Как найти константу в уравнении

Составим систему из двух уравнений Как найти константу в уравнении

Подставим вместо Как найти константу в уравнении,Как найти константу в уравнениии Как найти константу в уравнениизаданные начальные условия:

Как найти константу в уравнении Как найти константу в уравнении Как найти константу в уравненииКак найти константу в уравненииКак найти константу в уравнении

Таким образом, искомым частным решением является функция

Как найти константу в уравнении.

2. Найти частное решение уравнения

Как найти константу в уравнении

Как найти константу в уравнении

1. Как найти константу в уравнении

1. Как найти константу в уравнении

2. а) Как найти константу в уравнении

2. а) Как найти константу в уравнении

б) Как найти константу в уравнении

б) Как найти константу в уравнении

в) Как найти константу в уравнении

в) Как найти константу в уравнении

г) Как найти константу в уравнении

г) Как найти константу в уравнении

Видео:Влияние температуры на скорость химических реакций. 10 класс.Скачать

Влияние температуры на скорость химических реакций. 10 класс.

Как найти константу в уравнении

VIII .1. Общие понятия теории обыкновенных дифференциальных уравнений

Обыкновенным дифференциальным уравнением (ДУ) называется некоторая функциональная зависимость, содержащая переменную x , искомую функцию y ( x ) и её производные, то есть

Наивысший порядок производной, входящей в ДУ, называется порядком этого уравнения. Тогда (8.1) – ДУ n го порядка.

Следовательно, ДУ 1-го порядка имеет вид:

Если из (8.2) выразить Как найти константу в уравнении , то получим ДУ 1-го порядка, разрешенное относительно производной:

Решением ДУ называется такая функция y ( x ), которая, будучи подставленной вместе со всеми своими производными до n -го порядка в уравнение, обращает его в тождество.

Если неизвестная искомая функция зависит от нескольких переменных, то дифференциальное уравнение называется уравнением в частных производных. Далее будем рассматривать только обыкновенные ДУ.

Методом решения ДУ является интегрирование, а график решения ДУ называется интегральной кривой.

Процесс интегрирования для ДУ n -го порядка повторяется n раз. Следовательно, искомое решение будет содержать ровно n констант интегрирования. Решение ДУ, содержащее константы интегрирования Как найти константу в уравнении, называется общим решением ДУ:

Если данное решение получено в неявном виде Как найти константу в уравнении , то оно называется общим интегралом .

Для ДУ 1-го порядка общий интеграл записывае тся в виде g ( x , y , c )=0, а общее решение

Решение ДУ, получаемое из общего решения при конкретных значениях констант интегрирования, называется его частным решением (частным интегралом).

Решение ДУ, не получаемое из общего решения ни при каких значениях констант ci , называется особым.

С геометрической точки зрения общее решение ДУ 1-го порядка y ( x , c ) есть семейство интегральных кривых на плоскости x 0 y ; особое решение представляет собой огибающую интегрального семейства; частное решение y ( x , c 0 ) при c = c 0 – одна кривая из этого семейства, проходящая через точку ( x 0 ; y 0 ). Задать эту точку означает задать для данного дифференциального уравнения начальные условия:

Геометрически задание начальных условий подразумевает выделение из всего семейства интегральных кривых выделение именно той кривой, которая проходит через точку с координатами ( x 0 ; y 0 ).

Если составить систему, состоящую из самого ДУ и заданных для него начальных условий, то получим задачу Коши для данного ДУ. Запишем задачу Коши для ДУ 1-го порядка:

Теорема 8.1 (о существовании и единственности решения задачи Коши). Если в уравнении Как найти константу в уравнениифункция f ( x , y ) и ее частная производная Как найти константу в уравнении непрерывны в некоторой области D , содержащей точку ( x 0 ; y 0 ), то существует единственное решение y =φ ( x ) этого уравнения, удовлетворяющее начальному условию (8.6) Как найти константу в уравнении

Для того чтобы найти частное решение ДУ, удовлетворяющее заданным начальным условиям, необходимо:

1) проинтегрировав ДУ, найти его общее решение (общий интеграл);

2) в общее решение (общий интеграл) подставить заданные начальные условия, получая при этом уравнение (систему уравнений) относительно констант интегрирования ci , где Как найти константу в уравнении ;

3) решить уравнение относительно с или систему уравнений относительно ci ;

4) найденные значения c или ci подставить в общее решение ДУ 1-го или n -го порядка соответственно.

Пример 8.1. Найти частное решение ДУ Как найти константу в уравнении , удовлетворяющее начальн ому услови ю y (1)=4.

Решение. Учитывая, что Как найти константу в уравнении имеем Как найти константу в уравнении или Как найти константу в уравнении . Проинтегрировав данное уравнение Как найти константу в уравнении , получим общее решение y = 2 x 3 + c . Подставим в него начальные условия y (1)=4:

4=2+ c или c =2. Данное значение константы подставим в общее решение: y = 2 x 3 + 2 – искомое частное решение Как найти константу в уравнении

Рассмотрим, в чем состоит геометрическая интерпретация ДУ 1-го порядка. Уравнения (8.2) и (8.3) устанавливают зависимость между координатами точки ( x , y ) и угловым коэффициентом Как найти константу в уравнении касательной к интегральной кривой, проходящей через эту точку. Следовательно, ДУ (8.3) задает на координатной плоскости x 0 y поле направлений. Кривая, во всех точках которой направление поля одинаково, называется изоклиной. Для приближенного построения интегральных кривых пользуются изоклинами. Уравнение изоклины можно получить при Как найти константу в уравнении , то есть f ( x , y )= c .

Ряд прикладных задач приводит к понятию обыкновенного дифференциального уравнения.

Задача 8.1 (о движении частицы в вязкой среде). Определить скорость Как найти константу в уравнении частицы постоянной массы m, движущейся под действием силы тяжести в вязкой среде ( k >0 – коэффициент вязкости).

Решение . Найдем зависимость, по которой изменяется скорость частицы. Согласно основному закону динамики

Как найти константу в уравнении , где m – масса частицы, t – время, Как найти константу в уравнении – сила тяжести; сила сопротивления среды Как найти константу в уравнении . Это векторное уравнение равносильно системе из трех скалярных уравнений, вид которой зависит от выбора системы координат. Направим ось 0x − вдоль направления движения (вертикально вниз). Тогда Как найти константу в уравнении − проекции сил на ось 0x, где v – модуль скорости. Следовательно, в системе остается одно уравнение:

Как найти константу в уравнении . Преобразовав, получим:

Как найти константу в уравнении −линейное дифференциальное уравнение первого порядка относительно искомой функции скорости v ( t ). Методика решения данного вида уравнений изложена несколько ниже, в пункте VIII .2 (подпункт 4) Как найти константу в уравнении

Закон «естественного роста» описывается дифференциальным уравнением Как найти константу в уравнении . Общее свойство двух переменных величин x и t , входящих в уравнение, состоит в том, что скорость изменения одной из них x по отношению к другой t пропорциональна имеющемуся количеству величины x в рассматриваемый момент времени t . Должны быть заданы начальные условия задачи − значение x 0 в начальный момент времени t = t 0 . Положительный коэффициент пропорциональности k >0 характеризует непрерывный прирост вещества, отрицательный k x , вступившего в химическую реакцию (например, брожения), от времени t.

Закон размножения бактерий характеризует з ависимость массы m пищевых бактерий от времени t и имеет вид Как найти константу в уравнении .

Закон охлаждения тел − это з акон изменения температуры тела (например, молока после пастеризации) в течение времени:

Как найти константу в уравнении , где T ( t ) – температура тела в момент времени t ,

t 0 – температура воздуха (среды охлаждения), до которой тело остывает.

Заметим, что во всех приведенных задачах, которые привели нас к соответствующим обыкновенным дифференциальным уравнениям, k – это некоторый коэффициент пропорциональности.

🎥 Видео

Электролитическая диссоциация кислот, оснований и солей. 9 класс.Скачать

Электролитическая диссоциация кислот, оснований и солей. 9 класс.

Использование уравнения Аррениуса для решения задач (1/2). Химия для поступающих.Скачать

Использование уравнения Аррениуса для решения задач (1/2). Химия для поступающих.

Биохимия | Кинетика ферментативных реакций: константа Михаэлиса и график Лайнуивера-БеркаСкачать

Биохимия | Кинетика ферментативных реакций: константа Михаэлиса и график Лайнуивера-Берка

Задания на константу равновесия по учебнику ЕреминаСкачать

Задания на константу равновесия по учебнику Еремина

Как выучить Химию с нуля за 10 минут? Принцип Ле-ШательеСкачать

Как выучить Химию с нуля за 10 минут? Принцип Ле-Шателье

Проклятая химическая реакция 😜 #shortsСкачать

Проклятая химическая реакция 😜 #shorts

Константа нестойкости и диссоциация комплексных соединенийСкачать

Константа нестойкости и диссоциация комплексных соединений

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ ХИМИЯ 8 класс // Подготовка к ЕГЭ по Химии - INTENSIVСкачать

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ ХИМИЯ 8 класс // Подготовка к ЕГЭ по Химии - INTENSIV

Расчет рН растворов сильных и слабых кислот. Химия для поступающих.Скачать

Расчет рН растворов сильных и слабых кислот. Химия для поступающих.

5 способов решения квадратного уравнения ➜ Как решать квадратные уравнения?Скачать

5 способов решения квадратного уравнения ➜ Как решать квадратные уравнения?

ЛИНЕЙНЫЕ УРАВНЕНИЯ - Как решать линейные уравнения // Подготовка к ЕГЭ по МатематикеСкачать

ЛИНЕЙНЫЕ УРАВНЕНИЯ - Как решать линейные уравнения // Подготовка к ЕГЭ по Математике

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравнения

Комплексные соединения. 1 часть. 11 класс.Скачать

Комплексные соединения. 1 часть. 11 класс.

Константа гидролиза и pH водного раствора солиСкачать

Константа гидролиза и pH водного раствора соли

СЛОЖИТЕ ДВА КОРНЯСкачать

СЛОЖИТЕ ДВА КОРНЯ
Поделиться или сохранить к себе: