Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

Данко П. Е., Попов А. Г., Кожевникова Т. Я. Высшая математика в упражнениях и задачах…
Часть II. Глава IV. Обыкновенные дифференциальные уравнения

Видео:Лукьяненко Д. В. - Дифференциальные уравнения - Лекция 2Скачать

Лукьяненко Д. В. - Дифференциальные уравнения - Лекция 2

§ 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) Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация – обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка;

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) Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация – уравнение в частных производных первого порядка.

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 Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация в области D, то решение дифференциального уравнения у’= f (х, у) при начальном условии у(х0) = у0 существует и единственно, т. е. через точку (x0; y0) проходит единственная интегральная кривая данного уравнения (теорема Коши).

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 Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация записывается в виде у = sin (х + С). Это семейство интегральных кривых имеет две огибающие: у = 1 и у = -1, которые и будут особыми решениями.

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

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

Почленное интегрирование последнего уравнения приводит к соотношению

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

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

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

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 Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, перепишем данное уравнение в виде

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

Проинтегрируем обе части уравнения:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, или Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

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

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

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

△ Полагая Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация и разделяя переменные, приходим к уравнению ctg у dy = tg х dx. Интегрируя, имеем

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, или ln|sin у| = -ln|cos x| + ln С.

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 Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация. Интегрируя, получим

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, или ln |y| = – arctg x + С

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:Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравнения

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

Презентация была опубликована 8 лет назад пользователемСтепан Федюнин

Похожие презентации

Видео:Задача Коши для дифференциальных уравненийСкачать

Задача Коши для дифференциальных уравнений

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:Решить задачу КошиСкачать

Решить задачу Коши

Дифференциальные уравнения первого порядка (стр. 1 )

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияИз за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

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

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

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 Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияесть уравнение первого порядка,

а уравнение Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация— уравнение второго порядка.

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 Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Функция Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияявляется решением этого уравнения.

Действительно,
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
и уравнение обращается в тождество:
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Решением рассматриваемого уравнения будут и функции
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
и вообще функции
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, где Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияи Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация— произвольные постоянные.
В самом деле
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
и уравнение обращается в тождество
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Заметим, что рассматриваемое уравнение имеет бесчисленное множество решений вида: Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

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 Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Общее и частное решение

Общим решением дифференциального уравнения первого порядка называется решение Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, зависящее от одной произвольной постоянной C, придавая конкретное значение которой Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, можно получить решение Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, удовлетворяющее любому заданному начальному условию Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Равенство вида Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, неявно задающее общее решение, называется общим интегралом дифференциального уравнения.
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 Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, которая получается из общего решения Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,если в последнем произвольной постоянной C придать определенное значение Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация. Соотношение Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияназывается в этом случае частным интегралом.
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
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Общим решением этого уравнения является семейство функций
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Действительно, при любом значении C эта функция удовлетворяет уравнению: Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
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
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,
получим
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
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. Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация) проходящей через точку Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияЗаметим, что задать начальное условие для уравнения первого порядка с геометрической точки зрения означает задать точку Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, через которую должна пройти соответствующая интегральная кривая.

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: Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Это уравнение для каждой точки Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияопределяет значение производной Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, т. е. определяет угловой коэффициент касательной к интегральной кривой, проходящей через эту точку.
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
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
В каждой точке (x, y), отличной от точки (0,0), угловой коэффициент касательной к интегральной кривой равен отношению Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, т. е. совпадает с угловым коэффициентом прямой, проходящей через начало координат и точку с координатами (x, y). Очевидно, что интегральными кривыми будут прямые y=Cx, где C — произвольная постоянная, т. к. направление этих прямых всюду совпадает с направлением поля.

Теорема существования и единственности решения дифференциального уравнения.

Рассматривая уравнение первого порядка Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, разрешенное относительно производной, мы ставили вопрос об отыскании его общего решения и, если задано начальное условие Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретациячастного решения, удовлетворяющего этому условию.
Возникает вопрос: всегда ли существует частное решение, удовлетворяющее заданному начальному условию и если существует, будет ли оно единственным.
Рассмотрим, например, уравнение
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Общим решением является функция Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, а интегральными кривыми — семейство гипербол, причем через каждую точку Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, не лежащую на оси Oy проходит одна и только одна интегральная кривая, т. е. рассматриваемое уравнение имеет единственное решение, проходящее через точку, не лежащую на оси Oy, но оно не имеет решения, проходящего через точку, взятую на оси Oy.
Этот пример показывает, что не всегда существует решение, удовлетворяющее заданному начальному условию.
В некоторых случаях решение может оказаться не единственным.
Так, например, уравнение
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
имеет бесконечное множество решений, проходящих через точку (0,0).
В самом деле, функция Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияявляется общим решением этого уравнения, а при любом значении C прямая Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияпроходит через начало координат. На вопрос, при каких условиях для уравнения Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияможно гарантировать существование и единственность решения, удовлетворяющего заданному начальному условию Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, отвечает следующая теорема.

Теорема.
Пусть функция Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияи ее частная производная Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретациянепрерывны в некоторой области D на плоскости xOy. Тогда, если точка Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияпринадлежит этой области, существует, и притом единственное, решение уравнения Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, удовлетворяющее начальному условию Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Геометрически это означает, что через каждую точку Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияобласти D проходит одна и только одна интегральная кривая рассматриваемого уравнения. Данная теорема называется теоремой существования и единственности решения дифференциального уравнения .
Возвращаясь к рассмотренным нами примерам, мы видим, что функции
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
и
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
не определены при Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияи, следовательно, не являются непрерывными. Это обстоятельство и привело, в первом случае, к отсутствию решений, проходящих через точки оси Ox , во втором — к нарушению единственности в точке (0,0).

1.1. Уравнения с разделяющимися переменными

Рассмотрим уравнение первого порядка, разрешенное относительно производной:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

или
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Это уравнение можно переписать так:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

или в симметричной форме

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,

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

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

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

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Пример

Уравнение Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация— уравнение с разделенными переменными. Интегрируя, получим общий интеграл: Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Уравнение вида Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

называется уравнением с разделяющимися переменными.

Это уравнение может быть приведено к уравнению с разделенными переменными путем деления обеих его частей на выражение Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

или
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Общий интеграл полученного уравнения имеет вид:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Пример

Дано уравнение
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияили Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Разделим переменные Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияи интегрируем Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

В результате вычисления получим:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Это выражение можно записать в иной форме:
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
т. к. всякое число можно представить в виде логарифма другого.

Таким образом, общий интеграл данного уравнения будет иметь вид

. Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

1.2. Однородные уравнения первого порядка

Рассмотрим сначала понятие однородной функции двух переменных.
Функция двух переменных Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияназывается однородной функцией измерения n, если при любом t справедливо тождество f (tx, ty) = t n f(x, y) .

Пример

Функция Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияесть однородная функция измерения 2, т. к.
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

С понятием однородной функции связано понятие однородного дифференциального уравнения.

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

называется однородным дифференциальным уравнением первого порядка,
если функции Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияи Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияявляются однородными функциями одного и того же измерения.

Для однородного уравнения имеем:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Полагая в последних равенствах Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, получаем

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

Подставив эти выражения в исходное уравнение, получим

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияи далее Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

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:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

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

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,

где Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияи Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

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

Если функция Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, стоящая в правой части уравнения, тождественно равна нулю, т. е. Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,
то уравнение называется линейным однородным, в противном случае — линейным неоднородным.
Таким образом, Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация— линейное однородное уравнение, а Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация— линейное неоднородное уравнение.

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 Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретациямы выберем произвольно, подчинив некоторому условию. Так как при этом Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, то эта подстановка дает:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
и
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Используя произвольный выбор функции V, подчиним ее условию: Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Разделяя переменные и интегрируя в последнем равенстве, получаем:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Поэтому исходное уравнение после подстановки полученной функции V(x) имеет вид: Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Это уравнение также является уравнением с разделяющимися переменными.
Решая его, получаем:
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, а после интегрирования Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Возвращаясь к переменной y=UV имеем общее решение линейного неоднородного уравнения:
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Пример

Решить уравнение Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Здесь Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Имеем:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияКоши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияКоши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация— общее решение линейного уравнения.

II метод — метод вариации произвольной постоянной — метод Лагранжа

В линейном однородном уравнении Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияпеременные разделяются и его общее решение, которое мы обозначим через Y , легко находится:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Будем теперь находить общее решение неоднородного линейного уравнения Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, считая, что общее решение неоднородного уравнения y имеет такую же форму, как и общее решение cоответствующего однородного уравнения Y , но где C есть не постоянная величина, а неизвестная функция от x , т. е. считая, что

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Дифференцируя это выражение

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

и подставляя в рассматриваемое неоднородное уравнение, получим:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияили Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Откуда находим функцию C(x) :

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Полученное общее решение состоит из двух слагаемых, из которых второе Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияявляется общим решением соответствующего однородного уравнения, а первое Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияявляется частным решением неоднородного уравнения, получаемым из общего при Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Пример

Найти общее решение уравнения
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Интегрируем соответствующее однородное уравнение: Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Считаем C функцией x : Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
Подставляем в исходное уравнение:
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

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 Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.


Разделив обе части уравнения на y 2, получим:

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.


Введем новую переменную Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, тогда Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.


Подставляя в уравнение, получим:

Это линейное уравнение относительно функции z(x) .

Применим метод вариации произвольной постоянной:


Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
Интегрируя по частям, находим Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,

следовательно Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Заменяя теперь z на Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,
получим: Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретацияили Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Это и есть общее решение исходного уравнения.

1.5. Уравнения в полных дифференциалах

Уравнением в полных дифференциалах называется уравнение вида

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,

левая часть которого есть полный дифференциал некоторой функции Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, т. е.

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Переписав исходное уравнение в виде Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, заключим, что общий интеграл этого уравнения определяется формулой Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Как известно, полный дифференциал функции Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретациявыражается формулой

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

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

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Функция Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, входящая в формулу Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация, находится интегрированием функций P(x, y) и Q(x, y) соответственно по x и y при этом вторая переменная считается величиной постоянной (соответственно y или x).

Пример

Проинтегрировать дифференциальное уравнение

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

Для данного уравнения

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

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

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

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

Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,

где Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация— функция подлежащая определению.

Дифференцируя по y функцию U(x, y) = C и принимая во внимание значение Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,
получаем
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,
откуда
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
Подставив выражение для
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
в равенство
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,
найдем
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.
В соответствии с формулой
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
получаем
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация
или
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация,
где
Коши для уравнения y f x y и ее геометрическая интерпретация.

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

Дифференциальные уравнения. Задача Коши. Метод Эйлера.

Решить задачу Коши для дифференциального уравнения с помощью формулы ДюамеляСкачать

Решить задачу Коши для дифференциального уравнения с помощью формулы Дюамеля

Пример 65. Решить задачу Коши (диффуры)Скачать

Пример 65. Решить задачу Коши (диффуры)

Геометрический смысл дифференциального уравненияСкачать

Геометрический смысл дифференциального уравнения

15. Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

15. Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

Как распознать талантливого математикаСкачать

Как распознать талантливого математика

Видеоурок "Дифференциальные уравнения. Задача Коши"Скачать

Видеоурок "Дифференциальные уравнения. Задача Коши"

Матан за час. Шпаргалка для первокурсника. Высшая математикаСкачать

Матан за час. Шпаргалка для первокурсника. Высшая математика

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

18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.

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

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

Операционный метод для задачи КошиСкачать

Операционный метод для задачи Коши

Линейное дифференциальное уравнение Коши-ЭйлераСкачать

Линейное дифференциальное уравнение Коши-Эйлера

3. Условия существования и единственности решения задачи КошиСкачать

3. Условия существования и единственности решения задачи Коши

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

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

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами
Поделиться или сохранить к себе: