Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Пример частного решения линейного дифференциального уравнения

Рассмотрим тоже самое уравнение, но решим методом вариации произвольной постоянной.
Для нахождения производных C’i составляем систему уравнений:
C’1·e -3x ·cos(2x)+C’2·e -3x ·sin(2x)=0
C’1(-2·e -3x ·sin(2x)-3·cos(2x)·e -3x ) + C’2(-3·e -3x ·sin(2x)+2·cos(2x)·e -3x ) = 8*exp(-x)
Выразим C’1 из первого уравнения:
C’1 = -c2·sin(2x)/(cos(2x))
и подставим во второе. В итоге получаем:
C’1 = -4·e 2x ·sin(2x)
C’2 = 4·cos(2x)·e 2x
Интегрируем полученные функции C’i:
C1 = -e 2x ·sin(2x)+cos(2x)·e 2x + C * 1
C2 = e 2x ·sin(2x)+cos(2x)·e 2x + C * 2
Записываем полученные выражения в виде:
C1 = (-e 2x ·sin(2x)+cos(2x)·e 2x )·cos(2x)·e -3x + C * 1e -3x ·cos(2x)
C2 = (e 2x ·sin(2x)+cos(2x)·e 2x )·e -3x ·sin(2x) + C * 2e -3x ·sin(2x)
или
C1 = -cos(2x)·e -x ·sin(2x)+cos 2 (2x)·e -x + C * 1e -3x ·cos(2x)
C2 = cos(2x)·e -x ·sin(2x)+sin 2 (2x)·e -x + C * 2e -3x ·sin(2x)
y = C1 + C2
Таким образом, общее решение дифференциального уравнения имеет вид:
Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Пример . y″ + 5y’ + 6 = 12cos(2x)
Cоставляем характеристическое уравнение дифференциального уравнения: r 2 +5 r + 6 = 0
Находим дискриминант: D = 5 2 — 4·1·6 = 1
Как составлять частные решения дифференциальных уравнений
Как составлять частные решения дифференциальных уравнений
Корни характеристического уравнения: r1 = -2, r2 = -3. Следовательно, фундаментальную систему решений составляют функции: y1 = e -2x , y2 = e -3x
Общее решение однородного уравнения имеет вид: y =C1·e -2x +C2·e -3x
Найдем частное решение при условии:y(0) = 1, y'(0) = 3
Поскольку y(0) = c1+c2, то получаем первое уравнение:
c1+c2 = 1
Находим первую производную: y’ = -3·c2·e -3·x -2·c1·e -2·x
Поскольку y'(0) = -3·c2-2·c2, то получаем второе уравнение:
-3·c2-2·c2 = 3
В итоге получаем систему из двух уравнений:
c1+c2 = 1
-3·c2-2·c2 = 3
которую решаем или методом обратной матрицы или методом исключения переменных.
c1 = 6, c2 = -5
Тогда частное решение при заданных начальных условиях можно записать в виде: y =6·e -2x -5·e -3x
Рассмотрим правую часть: f(x) = 12·cos(2·x)
Уравнение имеет частное решение вида: y * = Acos(2x) + Bsin(2x)
Вычисляем производные: y’ = -2·A·sin(2x)+2·B·cos(2x); y″ = -4·A·cos(2x)-4·B·sin(2x)
которые подставляем в исходное дифференциальное уравнение: y″ + 5y’ + 6y = (-4·A·cos(2x)-4·B·sin(2x)) + 5(-2·A·sin(2x)+2·B·cos(2x)) + 6(Acos(2x) + Bsin(2x)) = 12·cos(2·x) или -10·A·sin(2x)+2·A·cos(2x)+2·B·sin(2x)+10·B·cos(2x) = 12·cos(2·x)
Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х, получаем систему линейных уравнений:
-10A + 2B = 0
2A + 10B = 12
СЛАУ решаем методом Крамера:
A = 3 /13;B = 15 /13;
Частное решение имеет вид:
y * = 3 /13cos(2x) + 15 /13sin(2x)
Таким образом, общее решение дифференциального уравнения имеет вид:
Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Пример 2 . y’’ + y = cos(x)
Данное дифференциальное уравнение относится к линейным дифференциальным уравнениям с постоянными коэффициентами. Решение уравнения будем искать в виде y = e rx . Для этого составляем характеристическое уравнение линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами:

r 2 + 1 = 0
D = 0 2 — 4·1·1 = -4
Как составлять частные решения дифференциальных уравнений Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Корни характеристического уравнения:
(комплексные корни):
r1 = i, r2 = -i
Следовательно, фундаментальную систему решений составляют функции:
y1 = e 0 x cos(x) = cos(x)
y2 = e 0 x sin(x) = sin(x)

Общее решение однородного уравнения имеет вид: y =C1·cos(x)+C2·sin(x)

Рассмотрим правую часть: f(x) = cos(x)

Найдем частное решение. Линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами и правой частью вида:
R(x) = e αx (P(x)cos(βx) + Q(x)sin(βx)), где P(x), Q(x) — некоторые полиномы
имеет частное решение
y(x) = x k e αx (R(x)cos(βx) + S(x)sin(βx))
где k — кратность корня α+βi характеристического полинома соответствующего однородного уравнения, R(x), S(x) — полиномы, подлежащие определению, степень которых равна максимальной степени полиномов P(x), Q(x).
Здесь P(x) = 0, Q(x) = 0, α = 0, β = 1.
Следовательно, число α + βi = 0 + 1i является корнем характеристического уравнения кратности k = 1(r1).

Уравнение имеет частное решение вида:
y * = x (Acos(x) + Bsin(x))
Вычисляем производные:
y’ = sin(x)(B-A·x)+cos(x)(A+B·x)
y″ = cos(x)(2·B-A·x)-sin(x)(2·A+B·x)
которые подставляем в исходное дифференциальное уравнение:
y″ + y = (cos(x)(2·B-A·x)-sin(x)(2·A+B·x)) + (x (Acos(x) + Bsin(x))) = cos(x)
или
2·B·cos(x)-2·A·sin(x) = cos(x)
Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х, получаем систему уравнений:
2B = 1
-2A = 0
Следовательно:
A = 0; B = 1 /2;
Частное решение имеет вид: y * = x (0cos(x) + ½ sin(x)) = ½ x sin(x)

Таким образом, общее решение дифференциального уравнения имеет вид: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Видео:Общее и частное решение дифференциального уравненияСкачать

Общее и частное решение дифференциального уравнения

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 составлять частные решения дифференциальных уравнений, которая обращает это уравнение в тождество.

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

1. Рассмотрим дифференциальное уравнение первого порядка

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Решением этого уравнения является функция y = 5 ln x. Действительно, Как составлять частные решения дифференциальных уравнений, подставляя y’ в уравнение, получим Как составлять частные решения дифференциальных уравнений– 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 составлять частные решения дифференциальных уравнений– решение этого уравнения.

Действительно, Как составлять частные решения дифференциальных уравнений.

Подставляя эти выражения в уравнение, получим: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений, Как составлять частные решения дифференциальных уравнений– тождество.

А это и значит, что функция Как составлять частные решения дифференциальных уравнений– есть решение этого дифференциального уравнения.

Интегрированием дифференциальных уравнений называется процесс нахождения решений дифференциальных уравнений.

Общим решением дифференциального уравнения называется функция вида Как составлять частные решения дифференциальных уравнений,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 составлять частные решения дифференциальных уравнений

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 составлять частные решения дифференциальных уравнений.

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений— 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 составлять частные решения дифференциальных уравнений

Решением этого уравнения является всякая функция вида Как составлять частные решения дифференциальных уравнений, где С – произвольная постоянная. Действительно, подставляя в уравнения Как составлять частные решения дифференциальных уравнений, получим: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений, Как составлять частные решения дифференциальных уравнений.

Следовательно, данное дифференциальное уравнение имеет бесконечное множество решений, так как при различных значениях постоянной С равенство Как составлять частные решения дифференциальных уравненийопределяет различные решения уравнения Как составлять частные решения дифференциальных уравнений.

Например, непосредственной подстановкой можно убедиться, что функции Как составлять частные решения дифференциальных уравненийявляются решениями уравнения Как составлять частные решения дифференциальных уравнений.

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 составлять частные решения дифференциальных уравнений, которая содержит одну произвольную постоянную.

Пример. Рассмотрим дифференциальное уравнение первого порядка Как составлять частные решения дифференциальных уравнений.

Решением этого уравнения является функция Как составлять частные решения дифференциальных уравнений.

Действительно, заменив в данном уравнении, Как составлять частные решения дифференциальных уравненийего значением, получим

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений Как составлять частные решения дифференциальных уравненийто есть 3x=3x

Следовательно, функция Как составлять частные решения дифференциальных уравненийявляется общим решением уравнения Как составлять частные решения дифференциальных уравненийпри 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 составлять частные решения дифференциальных уравнений, получим Как составлять частные решения дифференциальных уравненийоткуда C = 0.

Таким образом, частное решение получим из общего Как составлять частные решения дифференциальных уравненийподставив в это уравнение, полученное значение C = 0 Как составлять частные решения дифференциальных уравнений Как составлять частные решения дифференциальных уравнений– 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 составлять частные решения дифференциальных уравнений, где f(x) и g(y)– заданные функции.

Для тех y, для которых Как составлять частные решения дифференциальных уравнений, уравнение y’=f(x)g(y) равносильно уравнению, Как составлять частные решения дифференциальных уравненийв 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 составлять частные решения дифференциальных уравненийназывается уравнением с разделёнными переменными.

Проинтегрировав обе части уравнения Как составлять частные решения дифференциальных уравненийпо x, получим G(y) = F(x) + C– общее решение уравнения, где G(y) и F(x) – некоторые первообразные соответственно функций Как составлять частные решения дифференциальных уравненийи f(x), C произвольная постоянная.

Алгоритм решения дифференциального уравнения первого порядка с разделяющимися переменными

  1. Производную функции переписать через её дифференциалы Как составлять частные решения дифференциальных уравнений
  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 составлять частные решения дифференциальных уравненийКак составлять частные решения дифференциальных уравнений

разделим переменные Как составлять частные решения дифференциальных уравненийКак составлять частные решения дифференциальных уравнений

проинтегрируем обе части равенства:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Ответ: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Найти частное решение уравнения

Это—уравнение с разделенными переменными. Представим его в дифференциалах. Для этого перепишем данное уравнение в виде Как составлять частные решения дифференциальных уравненийОтсюда Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Интегрируя обе части последнего равенства, найдем Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Следовательно, искомый частный интеграл будет Как составлять частные решения дифференциальных уравненийили Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Составить уравнение кривой, проходящей через точку M(2;-3) и имеющей касательную с угловым коэффициентом Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Решение. Согласно условию Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Это уравнение с разделяющимися переменными. Разделив переменные, получим: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Проинтегрировав обе части уравнения, получим: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Следовательно, искомое уравнение имеет вид Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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 составлять частные решения дифференциальных уравненийто уравнение y’ = f(x)y + g(x) называется неоднородным.

Общее решение линейного однородного дифференциального уравнения y’ = f(x)y задается формулой: Как составлять частные решения дифференциальных уравненийгде 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 составлять частные решения дифференциальных уравнений.

Общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения y’ = f(x)y + g(x) задается формулой Как составлять частные решения дифференциальных уравнений,

т.е. равно сумме общего решения соответствующего линейного однородного уравнения и частного решения Как составлять частные решения дифференциальных уравненийданного уравнения.

Для линейного неоднородного уравнения вида Как составлять частные решения дифференциальных уравненийy’ = kx + b,

где k и b— некоторые числа и Как составлять частные решения дифференциальных уравненийчастным решением будет являться постоянная функция Как составлять частные решения дифференциальных уравнений. Поэтому общее решение имеет вид Как составлять частные решения дифференциальных уравнений.

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 составлять частные решения дифференциальных уравненийКак составлять частные решения дифференциальных уравнений.

Следовательно, Как составлять частные решения дифференциальных уравненийгде С – произвольная постоянная.

Ответ: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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 составлять частные решения дифференциальных уравненийКак составлять частные решения дифференциальных уравнений

5. Из скобки, приравняв ее к нулю, найти функцию Как составлять частные решения дифференциальных уравненийКак составлять частные решения дифференциальных уравнений

Это уравнение с разделяющимися переменными: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Разделим переменные и получим: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Откуда Как составлять частные решения дифференциальных уравнений. Как составлять частные решения дифференциальных уравнений.

6. Подставить полученное значение v в уравнение Как составлять частные решения дифференциальных уравнений(из п.4):

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

и найти функцию Как составлять частные решения дифференциальных уравненийЭто уравнение с разделяющимися переменными: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

7. Записать общее решение в виде: Как составлять частные решения дифференциальных уравненийКак составлять частные решения дифференциальных уравнений, т.е. Как составлять частные решения дифференциальных уравнений.

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 составлять частные решения дифференциальных уравнений

Сгруппировав второе и третье слагаемое левой части уравнения, вынесем общий множитель u за скобкиКак составлять частные решения дифференциальных уравнений

Выражение в скобках приравниваем к нулю и, решив полученное уравнение, найдем функцию v = v(x)Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Получили уравнение с разделенными переменными. Проинтегрируем обе части этого уравнения: Как составлять частные решения дифференциальных уравненийНайдем функцию v: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Подставим полученное значение v в уравнение Как составлять частные решения дифференциальных уравненийПолучим: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Это уравнение с разделенными переменными. Проинтегрируем обе части уравнения: Как составлять частные решения дифференциальных уравненийНайдем функцию u = u(x,c) Как составлять частные решения дифференциальных уравненийНайдем общее решение: Как составлять частные решения дифференциальных уравненийНайдем частное решение уравнения, удовлетворяющее начальным условиям y = 1 при x = 0: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Ответ: Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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 составлять частные решения дифференциальных уравненийКак составлять частные решения дифференциальных уравнений, в которую входят две произвольные постоянные C1 и C2.

Частным решением дифференциального уравнения второго порядка называется решение, полученное из общего Как составлять частные решения дифференциальных уравненийпри 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 составлять частные решения дифференциальных уравненийr 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 составлять частные решения дифференциальных уравнений. Общее решение дифференциального уравнения выражается в виде Как составлять частные решения дифференциальных уравнений, где C1 и C2 — произвольные постоянные.

б) D = 0; следовательно, характеристическое уравнение имеет равные действительные корни Как составлять частные решения дифференциальных уравнений. Общее решение дифференциального уравнения выражается в виде Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Общее решение Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Дифференцируя общее решение, получим Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Составим систему из двух уравнений Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Подставим вместо Как составлять частные решения дифференциальных уравнений,Как составлять частные решения дифференциальных уравненийи Как составлять частные решения дифференциальных уравненийзаданные начальные условия:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений Как составлять частные решения дифференциальных уравнений Как составлять частные решения дифференциальных уравненийКак составлять частные решения дифференциальных уравненийКак составлять частные решения дифференциальных уравнений

Таким образом, искомым частным решением является функция

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений.

2. Найти частное решение уравнения

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

1. Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

1. Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

2. а) Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

2. а) Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

б) Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

б) Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

в) Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

в) Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

г) Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

г) Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Видео:Частное решение дифференциального уравнения. 11 класс.Скачать

Частное решение дифференциального уравнения. 11 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:13. Как решить дифференциальное уравнение первого порядка?Скачать

13. Как решить дифференциальное уравнение первого порядка?

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:18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.Скачать

18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.

Примеры решения дифференциальных уравнений

Задание

Решить дифференциальное уравнение xy’=y.

Решение

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

переписываем дифференциальное уравнение, получаем

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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 составлять частные решения дифференциальных уравнений

Далее интегрируем полученное уравнение:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

В данном случае интегралы берём из таблицы:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

– 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 составлять частные решения дифференциальных уравнений

Решение

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

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Если – это константа, то

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений0]» title=»Rendered by QuickLaTeX.com» />

– тоже некоторая константа, заменим её буквой С:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Получаем общее решение:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Ответ

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Решение

В первую очередь необходимо переписать производную в необходимом виде:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Далее упрощаем общий интеграл:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Ответ

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Задание

Найти частное решение дифференциального уравнения

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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 составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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 составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Получаем общее решение:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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 составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Подставляем найденное значение константы C=1 в общее решение.

Ответ

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Решение

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Ответ

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Задание

Найти частное решение дифференциального уравнения

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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 составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

можно выразить функцию в явном виде.

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Подставляем найденное значение константы C=1 в общее решение.

Ответ

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Проверка

Необходимо проверить, выполняется ли начальное условие:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Далее проводим следующую проверку: удовлетворяет ли вообще частное решение

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

дифференциальному уравнению. Для этого находим производную:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Подставим полученное частное решение

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

и найденную производную в исходное уравнение

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Получено верное равенство, значит, решение найдено правильно.

Задание

Найти общий интеграл уравнения

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Решение

Данное уравнение допускает разделение переменных. Разделяем переменные и интегрируем:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Ответ

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Задание

Найти частное решение ДУ.

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Решение

Данное ДУ допускает разделение переменных. Разделяем переменные:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

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

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Подставляем в общее решение

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Ответ

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Решение

Данное уравнение допускает разделение переменных. Разделяем переменные и интегрируем:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Левую часть интегрируем по частям:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

В интеграле правой части проведем замену:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

(здесь дробь раскладывается методом неопределенных коэффициентов)

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Ответ

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Решение

Данное уравнение допускает разделение переменных.

Разделяем переменные и интегрируем:

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Как составлять частные решения дифференциальных уравнений

Методом неопределенных коэффициентов разложим подынтегральную функцию в сумму элементарных дробей:

🎥 Видео

Дифференциальные уравнения. 11 класс.Скачать

Дифференциальные уравнения. 11 класс.

2. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными. Часть 1.Скачать

2. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными. Часть 1.

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравнения

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами

Решение линейного однородного дифференциального уравнения. Практическая часть. 11 класс.Скачать

Решение линейного однородного дифференциального уравнения. Практическая часть. 11 класс.

Дифференциальные уравнения, 1 урок, Дифференциальные уравнения. Основные понятияСкачать

Дифференциальные уравнения, 1 урок, Дифференциальные уравнения. Основные понятия

Решение системы дифференциальных уравнений методом ЭйлераСкачать

Решение системы дифференциальных уравнений методом Эйлера

Линейное дифференциальное уравнение первого порядка (1-x^2)*y'-xy=1Скачать

Линейное дифференциальное уравнение первого порядка (1-x^2)*y'-xy=1

Линейное дифференциальное уравнение Коши-ЭйлераСкачать

Линейное дифференциальное уравнение Коши-Эйлера

7. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Метод Бернулли.Скачать

7. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Метод Бернулли.

Общее, частное и особое решение ДУ. ПримерСкачать

Общее, частное и особое решение ДУ. Пример

Сеточные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.Скачать

Сеточные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.

Решение физических задач с помощью дифференциальных уравненийСкачать

Решение  физических задач с помощью дифференциальных уравнений

16. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

16. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентами
Поделиться или сохранить к себе: