Данко П. Е., Попов А. Г., Кожевникова Т. Я. Высшая математика в упражнениях и задачах…
Часть II. Глава IV. Обыкновенные дифференциальные уравнения
- § 1. Дифференциальные уравнения первого порядка
- Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
- Похожие презентации
- Презентация на тему: » < задача Коши — геометрическая интерпретация дифференциального уравнения второго порядка — приемы интегрирования дифференциальных уравнений 2-го порядка." — Транскрипт:
- Дифференциальные уравнения первого порядка (стр. 1 )
- 📺 Видео
Видео:Задача Коши для дифференциальных уравненийСкачать

§ 1. Дифференциальные уравнения первого порядка
1. Основные понятия. Дифференциальным уравнением называется уравнение, связывающее независимые переменные, их функцию и производные (или дифференциалы) этой функции. Если независимая переменная одна, то уравнение называется обыкновенным; если же независимых переменных две или больше, то уравнение называется дифференциальным уравнением в частных производных.
Наивысший порядок производной, входящей в уравнение, называется порядком дифференциального уравнения. Например:
1) х²у’ + 5xy = у² – обыкновенное дифференциальное уравнение первого порядка;
2) 
3) y’³ + y»y»’ = х – обыкновенное дифференциальное уравнение третьего порядка;
4) F (х, у, у’, у») = 0 – общий вид обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка;
5) 
В этом параграфе рассматриваются обыкновенные дифференциальные уравнения первого порядка, т. е. уравнения вида F (х, у, у’) = 0 или (в разрешенном относительно у’ виде) y’ = f(х, у).
Решением дифференциального уравнения называется такая дифференцируемая функция у = φ (x), которая при подстановке в уравнение вместо неизвестной функции обращает его в тождество. Процесс нахождения решения дифференциального уравнения называется интегрированием дифференциального уравнения.
Общим решением дифференциального уравнения первого порядка у’ = f(x, у) в области D называется функция у = φ(x, C), обладающая следующими свойствами: 1) она является решением данного уравнения при любых значениях произвольной постоянной С, принадлежащих некоторому множеству; 2) для любого начального условия у(х0) = у0 такого, что (x0; y0) ∈ 0, существует единственное значение С = С0, при котором решение у = φ(x, C0) удовлетворяет заданному начальному условию.
Всякое решение у = φ(x, C0), получающееся из общего решения у = φ (x, C) при конкретном значении С = С0, называется частным решением.
Задача, в которой требуется найти частное решение уравнения y’ = f(х, у) удовлетворяющее начальному условию у(х0) = y0, называется задачей Коши.
Построенный на плоскости хОу график всякого решения у = φ(х) дифференциального уравнения называется интегральной кривой этого уравнения. Таким образом, общему решению у = φ(х, С) на плоскости хОу соответствует семейство интегральных кривых, зависящее от одного параметра – произвольной постоянной С, а частному решению, удовлетворяющему начальному условию y(x0) = y0, – кривая этого семейства, проходящая через заданную точку М0(x0; у0).
Если функция f(х, у) непрерывна и имеет непрерывную производную 
Особым решением называется такое решение, во всех точках которого условие единственности не выполняется, т. е. в любой окрестности каждой точки (х; у) особого решения существуют по крайней мере две интегральные кривые, проходящие через эту точку.
Особые решения не получаются из общего решения дифференциального управления ни при каких значениях произвольной постоянной С (в том числе и при С = ± ∞).
Особым решением является огибающая семейства интегральных кривых (если она существует), т. е. линия, которая в каждой своей точке касается по меньшей мере одной интегральной кривой.
Например, общее решение уравнения 
2. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными. Дифференциальное уравнение вида
относится к типу уравнений с разделяющимися переменными. Если ни одна из функций f1(x), f2(y), φ1(x), φ2(y) не равна тождественно нулю, то в результате деления исходного уравнения на f2 (x) φ1 (y) оно приводится к виду
Почленное интегрирование последнего уравнения приводит к соотношению
которое и определяет (в неявной форме) решение исходного уравнения. (Решение дифференциального уравнения, выраженное в неявной форме, называют интегралом этого уравнения.)
507. Решить уравнение х(у²-4)dx + y dy = 0.
△ Разделив обе части уравнения на у² – 4 ≠ 0, имеем
x² + ln|у² – 4| = ln|C|, или у² – 4 = Сe -λ²
Это общее решение данного дифференциального уравнения.
Пусть теперь у² – 4 = 0, т. е. у = ± 2. Непосредственной подстановкой убеждаемся, что у = ±2 – решение исходного уравнения. Но оно не будет особым решением, так как его можно получить из общего решения при С = 0. ▲
508. Найти частный интеграл уравнения у’ cos х = у / ln у, удовлетворяющий начальному условию y(0) = l.
△ Полагая 
Проинтегрируем обе части уравнения:

Используя начальное условие у = 1 при х = 0, находим С = 0. Окончательно получаем

509. Найти общий интеграл уравнения у’ = tg x tg y.
△ Полагая 

Отсюда находим sin y = C/cos x, или sin y / cos x = С (общий интеграл). ▲
510. Найти частное решение дифференциального уравнения (l + x²)dy + y dx = 0 при начальном условии у(1) = 1.
△ Преобразуем данное уравнение к виду 

Это и есть общий интеграл данного уравнения.
Теперь, используя начальное условие, найдем произвольную постоянную С; имеем ln 1 = — arctg 1 + С, т. е. С = π/4. Следовательно,
ln у = – arctg х + π/4,
откуда получаем искомое частное решение y = e π/4 – arctg x . ▲
Данко П. Е., Попов А. Г., Кожевникова Т. Я. Высшая математика в упражнениях и задачах… Ч. II. Стр. 117-119.
Видео:Лукьяненко Д. В. - Дифференциальные уравнения - Лекция 2Скачать

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
Презентация была опубликована 8 лет назад пользователемСтепан Федюнин
Похожие презентации
Видео:Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Презентация на тему: » < задача Коши — геометрическая интерпретация дифференциального уравнения второго порядка — приемы интегрирования дифференциальных уравнений 2-го порядка." — Транскрипт:
2 Теорема Дифференциальное уравнение второго порядка может иметь вид F(x,y,y,y) = 0 или y = f(x,y,y). Общим решением уравнения является функция y = (x, C 1, C 2 ), существенно зависящая от двух произвольных постоянных и обращающая данное уравнение в тождество при любых значениях этих постоянных. Частное решение получается при закреплении постоянных С 1, С 2. Задача отыскания решения дифференциального уравнения удовлетворяющего заданным начальным условиям y(x 0 ) = y 0, y(x 0 ) = y 0 называется задачей Коши. Если функция f — правая часть дифференциального уравнения d 2 y/dx 2 = f(x,y,dy/dx) непрерывна в некоторой замкнутой трехмерной области D: oxyy и имеет в этой области ограниченные частные производную д f/ д y, д f/ д y, то каждой внутренней точке области D соответствует, и притом единственное, решение, удовлетворяющее заданным начальным условиям.
3 Геометрически это означает, что через каждую точку M 0 (x 0,y 0, y 0 )области D проходит одна и только одна интегральная кривая рассматриваемого уравнения. Данная теорема называется теоремой существования и единственности решения дифференциального уравнения P 0 (x 0,y 0 ) D x y o Y M 0 (x 0,y 0, y 0 )
4 @ Решить дифференциальное уравнение второго порядка, при заданных начальных условиях Решение M( 1,1 ) x y o f y = 0 f y = 1/x C 2 = tg = 1
5 Пусть дано дифференциальное уравнение второго порядка F(x,y,y,y)=0.. Этим уравнением для каждой точки M(x,y) определяется связь между координатами точки, через которую проходит интегральная кривая, производной функции dy/dx — угловым коэффициент касательной к интегральной кривой, и, через вторую производную, кривизной кривой k. y = (x) y = d /dx
6 Метод понижения порядка Тип I Тип II
7 Метод понижения порядка Тип III Тип IV
8 @ Решить дифференциальное уравнение Решение
9 Если точка A движется вдоль заданной кривой, а точка P преследует её, причем вектор направления движения точки P всегда направлен на точку A, и скорости движения точек постоянны, то траектория точки P называется кривой погони. Такая задача впервые была решена французским математиком Pierre Bouguer в 1732 году, впоследствии задачи такого класса исследовались английским математиком Boole. Определить траекторию преследования цели ракетой, если цель движется вдоль прямой, а скорости цели и ракеты равны между собой. P A
10 Уравнение кривой погони выводится при условии, что вектор касательной к траектории в точке P всегда параллелен линии, соединяющей A и P Пусть точка A движется вдоль оси y, тогда уравнение её движения: Уравнение движения точки P в параметрической форме : P A
11 Последнее уравнение может быть переписано в следующем виде
12 Последнее уравнение допускает понижение порядка
13 Начальные условия: в момент времени t = 0 точка P находится в точке плоскости M 0 и имеет скорость V = 1 После подстановки этих величин в общее решение получаем частное решение P A
Видео:Пример 65. Решить задачу Коши (диффуры)Скачать

Дифференциальные уравнения первого порядка (стр. 1 )
![]() | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 |
Дифференциальные уравнения первого порядка
Дифференциальным уравнением называется уравнение, связывающее независимую переменную x, искомую функцию y(x) и производную искомой функции.
Символически дифференциальное уравнение можно написать так

Неизвестной здесь является функция y, входящая под знак производных (или дифференциалов).
Если искомая функция y(x) есть функция одной независимой переменной, то дифференциальное уравнение называется обыкновенным. В этой главе мы будем рассматривать только обыкновенные дифференциальные уравнения.
Порядком дифференциального уравнения называется порядок наивысшей производной, входящей в уравнение.
Например, уравнение 
а уравнение 
Решением дифференциального уравнения называется всякая функция y(x), которая будучи подставленной в уравнение, обращает его в тождество. Решение еще называется интегралом дифференциального уравнения.
Пример
Рассмотрим уравнение 
Функция 
Действительно,
и уравнение обращается в тождество: 
Решением рассматриваемого уравнения будут и функции
и вообще функции 


В самом деле
и уравнение обращается в тождество 
Заметим, что рассматриваемое уравнение имеет бесчисленное множество решений вида: 
Решение дифференциальных уравнений первого порядка
Дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение, связывающее независимую переменную x, искомую функцию y(x) и производную первого порядка искомой функции.
Дифференциальное уравнение первого порядка имеет вид 
Общее и частное решение
Общим решением дифференциального уравнения первого порядка называется решение 



Равенство вида 
Заметим, что в практике чаще всего бывает нужным не общее решение, а так называемое частное решение,отвечающее определенным начальным условиям, вытекающим из условия данной конкретной задачи.
Частным решением называется любая функция 



Задача отыскания решения дифференциального уравнения y I = f(x, y) , удовлетворяющего заданным начальным условиям y(xo ) = yo, называется задачей Коши.
Теорема Коши
Если функция f(x, y) — правая часть дифференциального уравнения y I = f(x, y) — непрерывна в некоторой замкнутой области D плоскости xOy и имеет в этой области ограниченную частную производную f Iy (x, y), то каждой внутренней точке области D соответствует, и притом единственное, решение, удовлетворяющее начальным условиям.
Пример
Рассмотрим уравнение 
Общим решением этого уравнения является семейство функций 
Действительно, при любом значении C эта функция удовлетворяет уравнению: 
Кроме того, всегда можно найти такое значение C, что соответствующее частное решение будет удовлетворять заданному начальному условию.
Найдем, например, частное решение, удовлетворяющее начальному условию y(1)=-2. Подставляя эти значения в уравнение 
получим 
Решая это уравнение относительно C получим C = — 3.
Следовательно, искомым частным решением будет функция: Y = X
Это решение можно получить, используя нижеприведенный апплет для построения поля направлений и интегральных кривых для уравнения первого порядка.
С геометрической точки зрения общее решение уравнения первого порядка представляет собой семейство кривых на плоскости xOy, зависящее от одной произвольной постоянной C. Эти кривые называются интегральными кривыми данного дифференциального уравнения.
Частному решению соответствует одна интегральная кривая, проходящая через некоторую заданную точку. Так, в последнем примере общее решение геометрически изобразится семейством парабол, причем каждому значению параметра C будет соответствовать вполне определенная кривая. Частное решение изобразится параболой (рис. 1. 


Решить или проинтегрировать данное дифференциальное уравнение это значит:
а) найти его общее решение или общий интеграл, если не заданы начальные условия,
б) найти частное решение, удовлетворяющее заданным начальным условиям.
Геометрическая интерпретация дифференциального уравнения первого порядка
Пусть дано дифференциальное уравнение, разрешенное относительно производной: 
Это уравнение для каждой точки 

Таким образом, рассматриваемое дифференциальное уравнение дает совокупность направлений или, как говорят, определяет поле направлений или поле линейных элементов. Задача интегрирования такого уравнения, с геометрической точки зрения, заключается в нахождении кривых, направление касательных к которым совпадает с направлением поля линейных элементов в соответствующих точках .
Рассмотрим уравнение 
В каждой точке (x, y), отличной от точки (0,0), угловой коэффициент касательной к интегральной кривой равен отношению 
Теорема существования и единственности решения дифференциального уравнения.
Рассматривая уравнение первого порядка 

Возникает вопрос: всегда ли существует частное решение, удовлетворяющее заданному начальному условию и если существует, будет ли оно единственным.
Рассмотрим, например, уравнение 
Общим решением является функция 

Этот пример показывает, что не всегда существует решение, удовлетворяющее заданному начальному условию.
В некоторых случаях решение может оказаться не единственным.
Так, например, уравнение
имеет бесконечное множество решений, проходящих через точку (0,0).
В самом деле, функция 



Теорема.
Пусть функция 




Геометрически это означает, что через каждую точку 
Возвращаясь к рассмотренным нами примерам, мы видим, что функции
и
не определены при 
1.1. Уравнения с разделяющимися переменными
Рассмотрим уравнение первого порядка, разрешенное относительно производной:
или 
Это уравнение можно переписать так:
или в симметричной форме

дающей соотношение между переменными x и y и их дифференциалами.
Если в этом уравнении функция P зависит только от x , а функция Q — только от y, то уравнение называется уравнением с разделенными переменными.
Таким образом, уравнением с разделенными переменными называется уравнение вида

Решение такого уравнения получается прямым интегрированием. Так как слева стоит сумма дифференциалов двух функций, которая равна нулю, то сумма их интегралов равняется постоянной

Пример
Уравнение 

Уравнение вида
называется уравнением с разделяющимися переменными.
Это уравнение может быть приведено к уравнению с разделенными переменными путем деления обеих его частей на выражение
или 
Общий интеграл полученного уравнения имеет вид:

Пример
Дано уравнение 

Разделим переменные 

В результате вычисления получим:

Это выражение можно записать в иной форме:
т. к. всякое число можно представить в виде логарифма другого.
Таким образом, общий интеграл данного уравнения будет иметь вид
.
1.2. Однородные уравнения первого порядка
Рассмотрим сначала понятие однородной функции двух переменных.
Функция двух переменных 
Пример
Функция 

С понятием однородной функции связано понятие однородного дифференциального уравнения.
называется однородным дифференциальным уравнением первого порядка,
если функции 

Для однородного уравнения имеем:

Полагая в последних равенствах 

Подставив эти выражения в исходное уравнение, получим


Для разделения переменных введем новую переменную V = y/x или y = Vx. Так как в этом случае dy = xdV +Vdx, то последнее уравнение принимает вид:
M(1,V)dx + N(1,V)(xdV + Vdx) = 0,
Последнее уравнение является уравнением с разделяющимися переменными x и V, из него определяется V, а затем искомая функция y = Vx.
Если уравнение может приведено к виду: dy/dx = F(x, y) = F(v), где V = y/x, то оно называется однородным дифференциальным уравнением первого порядка.
Для приведения его к уравнению с разделяющимися переменными используется подстановка
V = y/x, отсюда y = Vx и dy/dx = xdV/dx + V.
В итоге получается уравнение с разделяющимися переменными: xdV/dx = F(V) — V, которое и интегрируется.
Пример
Решить уравнение (y 2 — 3x 2)dx + 2xydy = 0, при начальном условии: y(0) = 0 .
Здесь M(x, y) = (y 2 — 3x 2) и N(x, y) = 2xy — однородные функции измерения 2.
Применим подстановку y = vx, при этом dy = xdv +vdx.
Получим: x 2(v 2 — 3)dx + 2x 2v(xdv +vdx) = 0.
Сгруппируем слагаемые x 2(v 2 — 3)dx + 2x 2v(xdv +vdx) = 0 относительно dx и dv и разделим переменные:

После интегрирования получим: x 3(v = C или
общий интеграл: x(y 2 — x 2) = C
Используя начальные условия y(0) = 0 имеем = C, отсюда C = 0.
Частное решение данного уравнения: x(y 2 — x 2) = 0
или x = y и x = — y
1.3. Линейные уравнения первого порядка

где 
— заданные непрерывные функции, называется линейным дифференциальным уравнением первого порядка.
Если функция 

то уравнение называется линейным однородным, в противном случае — линейным неоднородным.
Таким образом, 

Рассмотрим два метода интегрирования линейных уравнений.
I метод — метод Бернулли
Для решения уравнения применим подстановку y=UV, причем функцию U=U(x) будем считать новой неизвестной функцией, а функцию 

и
Используя произвольный выбор функции V, подчиним ее условию: 
Разделяя переменные и интегрируя в последнем равенстве, получаем:

Поэтому исходное уравнение после подстановки полученной функции V(x) имеет вид: 
Это уравнение также является уравнением с разделяющимися переменными.
Решая его, получаем: 

Возвращаясь к переменной y=UV имеем общее решение линейного неоднородного уравнения: 
Пример
Решить уравнение 
Здесь 
Имеем:

II метод — метод вариации произвольной постоянной — метод Лагранжа
В линейном однородном уравнении 

Будем теперь находить общее решение неоднородного линейного уравнения 

Дифференцируя это выражение
и подставляя в рассматриваемое неоднородное уравнение, получим:


Откуда находим функцию C(x) :


Полученное общее решение состоит из двух слагаемых, из которых второе 


Пример
Найти общее решение уравнения 
Интегрируем соответствующее однородное уравнение: 
Считаем C функцией x :
Подставляем в исходное уравнение: 
1.4. Уравнение Бернулли
Уравнением Бернулли называется уравнение вида dy/dx + P(x)y = Q(x)y n.
При n = 0 или n = 1 уравнение становится линейным, методы интегрирования которого рассматривались в предыдущем пункте.
Есть следующие два способа интегрирования этого уравнения.
1. Уравнение приводится к линейному.
Разделив все члены такого уравнения на y n, получим:
y — n(dy/dx) + P(x)y — n+1 = Q(x).
После подстановки этих выражений в уравнение оно примет вид:
Это линейное уравнение относительно функции z. После его интегрирования возвращаемся к переменной y, подставив вместо z выражение y 1-n. Получим общий интеграл уравнения Бернулли.
2. Уравнение решается по методу Бернулли с подстановкой y = UV, уже использованному для решения линейных неоднородных уравнений.
Пример
Найти общее решение уравнения 
Разделив обе части уравнения на y 2, получим:

Введем новую переменную 

Подставляя в уравнение, получим:
Это линейное уравнение относительно функции z(x) .
Применим метод вариации произвольной постоянной:
Интегрируя по частям, находим 
следовательно 

Заменяя теперь z на 
получим: 

Это и есть общее решение исходного уравнения.
1.5. Уравнения в полных дифференциалах
Уравнением в полных дифференциалах называется уравнение вида

левая часть которого есть полный дифференциал некоторой функции 

Переписав исходное уравнение в виде 

Как известно, полный дифференциал функции 


Необходимое и достаточное условие того, что левая часть уравнения является полным дифференциалом некоторой функции, выражается равенством

Функция 

Пример
Проинтегрировать дифференциальное уравнение

Для данного уравнения

Так как выполнено условие (#), то данное уравнение является уравнением в полных дифференциалах, следовательно,

Интегрируя первое из этих уравнений ( y при этом считается постоянным), находим

где 
Дифференцируя по y функцию U(x, y) = C и принимая во внимание значение 
получаем 
откуда 
Подставив выражение для
в равенство 
найдем 
В соответствии с формулой
получаем
или 
где 
Итак, общий интеграл данного уравнения:
Это уравнение является также однородным и его можно проинтегрировать другим способом.
Найти общее решение или общий интеграл уравнения с разделяющимися переменными
📺 Видео
Дифференциальные уравнения. Задача Коши. Метод Эйлера.Скачать

Решить задачу КошиСкачать

Геометрический смысл дифференциального уравненияСкачать

Решить задачу Коши для дифференциального уравнения с помощью формулы ДюамеляСкачать

15. Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

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

Видеоурок "Дифференциальные уравнения. Задача Коши"Скачать

Как распознать талантливого математикаСкачать

Матан за час. Шпаргалка для первокурсника. Высшая математикаСкачать

Пример решения задачи Коши методом Эйлера. Метод Эйлера с пересчетом.Скачать

3. Условия существования и единственности решения задачи КошиСкачать

Линейное дифференциальное уравнение Коши-ЭйлераСкачать

Операционный метод для задачи КошиСкачать

2.1. Метод характеристик. Задача Коши для гиперболического уравнения на плоскости.Скачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать


































