Можно ли решать дифференциальное уравнение порядка выше первого численными методами

Дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение вида F(x,y,у’)=0 или у’=f(x,y). Функция y(x), при подстановке которой уравнение обращается в тождество, называется решением дифференциального уравнения.

Рассмотрим несколько численных методов решения дифференциальных уравнений первого порядка. Описание численных методов приводится для уравнения в виде у’=f(x,y).

Рассмотрим два варианта вывода расчетных формул

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

Моделирование динамических систем: численные методы решения ОДУ

Очень кратко рассмотрев основы механики в предыдущей статье, перейдем к практике, ибо даже той краткой теории что была рассмотрена хватит с головой.

Камень бросают вертикально, без начальной скорости с высоты h = 100 м. Пренебрегая сопротивлением воздуха, определить закон движения камня, как функцию высоты камня над поверхностью Земли от времени. Ускорение свободного падения принять равным 10 м/с 2

Видео:14. Дифференциальные уравнения второго порядка, допускающие понижение порядкаСкачать

1. Формализация задачи

То, с чего начинается любое моделирование. Под формализацией понимают получение математических выражений, описывающих происходящий процесс. При этом формулируются допущения: перечень упрощений модели за счет факторов, влиянием которых можно пренебречь.

Для этой задачи применимо допущение, согласно которому камень можно считать материальной точкой. К этой точке приложена одна единственная сила — сила тяжести, так мы используем допущение об отсутствии сопротивления воздуха.

Следующим допущением будет полагать что Земля плоская, так как высота, с которой мы бросаем камень пренебрежимо мала в сравнении с размерами планеты, а значит кривизной её поверхности можно пренебречь. Тогда сила тяжести может считаться постоянной, направленной перпендикулярно поверхности Земли и равной по модулю

где g — ускорение свободного падения у поверхности Земли. Теперь пришло время составить уравнения движения камня. Помните эти уравнения

Левая их часть нас пока не интересует, а вот в правой стоят суммы проекций сил, приложенных к точке на оси координат. Пусть оси x и y располагаются на поверхности, а ось z направлена вверх перпендикулярно ей. Сила одна единственная, её проекции на оси x и y равны нулю, а на ось z проекция отрицательна, так как сила направлена против направления оси, то есть

Масса камня, очевидно не равна нулю, значит можно спокойно поделить обе части получившихся уравнений на неё

Не буду занудствовать, доказывая что движение камня будет происходить строго вертикально, хотя это нужно сделать с формальной точки зрения. Ноль в правой части первых двух уравнений совершенно не означает невозможность движения вдоль этих осей — вспоминаем первый закон Ньютона. На этом я остановлюсь в следующей статье более подробно, а пока справедливо положим одномерность движения, выписав окончательное дифференциальное уравнение

То что у нас получилось не много не мало — математическая модель процесса происходящего в задаче. Пафосно, да?

Нет. Анализируя это уравнение мы делаем вывод, например, что масса камня не оказывает влияния на закон его движения, ведь массы в этом уравнении нет. Видите, даже не решив уравнения, мы уже формально доказали справедливость опыта с пером и кусочком свинца в вакууме, который любят показывать в школе (а некоторые повторили его на Луне).

Аналитическое решение получить просто, даже не буду заморачиваться, оно такое

А вот как решить это численно? И что это вообще такое — «численно»?

Видео:13. Как решить дифференциальное уравнение первого порядка?Скачать

2. Численное интегрирование дифференциального уравнения первого порядка

Какой такой первый порядок? Я же говорил в прошлый раз, что уравнения движения имеют второй порядок. Всё правильно, но большинство методов решения диффур на компьютере умеют решать только уравнения первого порядка. Есть методы прямого интегрирования уравнений второго порядка (например метод Верле), но о них не сейчас.

Во-первых, это уравнение относится к такому типу, что допускает понижение порядка. Правая часть не зависит от неизвестной функции (там нет z), поэтому вспоминаем, что

проекция ускорения на ось z равна первой производной проекции скорости на ту же оcь z. Ну классно, тогда

вот вам и уравнение первого порядка. Не всегда этот номер проходит (не буду я сейчас про форму Коши!), но в данном случае всё в порядке. Будем искать не координату а скорость точки. Что дальше-то? А дальше

ведь производная, мы же знаем, это отношение бесконечно малого приращения функции (скорости) в к вызвавшему его бесконечно малому приращению аргумента (время). Возьмем очень маленький промежуток времени , настолько небольшой что можно считать

Что получается? А вот что

Мы получили приращение скорости. Отрицательное приращение. Как это так, камень, падая вниз будет разгонятся же! Да, будет. Его скорость, вектор его скорости, будет направлен вниз. А значит проекция этого вектора на ось z будет отрицательной. Всё правильно, мы получаем растущую по абсолютному значению проекцию вектора, направленного вниз. Мы знаем, начальное значение скорости — ноль, а значит

Пользуясь тем что мы можем вычислить приращение скорости, посчитаем, какова будет скорость скажем через 0.1 секунды

а ещё через 0.1 секунды

и ещё через 0.1 секунды

Хм, так мы можем продолжать довольно долго, но ограничимся промежутком времени в одну секунду

То есть, воспользовавшись формулой

мы получили зависимость скорости точки от времени. А всего-то нужно взять значение скорости в текущий момент времени, и добавить к нему приращение, которое скорость получит в новый момент времени, отстоящий от текущего на секунд. Приращение времени называется здесь шагом интегрирования. А приращение мы вычисляем как значение производной искомой функции в текущий момент времени умноженное на шаг. Просто? Да просто конечно. И та формула, которую я написал, имеет название название — явный метод Эйлера для численного решения дифференциальных уравнений. Это так называемая рекуррентная формула, когда новое значение вычисляемой величины зависит от её предыдущего значения.

А что же с высотой точки над Землей? Да всё аналогично, смотрите

ведь проекция скорости есть производная от соответствующей координаты. Применим формулу метода Эйлера для этого уравнения, ведь скорость мы уже знаем

и по этой формуле добавим в нашу таблицу ещё одну колонку

Хм, ну, во-первых, заметно, что высота меняется у нас уже неравномерно, так как скорость со временем меняется. Теперь наша производная сама зависит от времени. Но уже на первом шаге, мы замечаем неладное — скорость уже есть, а вот высота по прежнему 100 метров. Как так?

Это вышло потому, что на каждом шаге мы полагаем производную (скорость) постоянной. Метод не дает информации о том, что происходит с решением между шагами. Соответственно накапливается погрешность, сравним полученное решение с точным

Да, наш камень как будто зависает в воздухе. Численное решение отстает от аналитического, и чем дальше мы считаем, тем выше погрешность счета. Погрешность накапливается, так как на каждом шаге мы берем всё более и более грубое приближение. Что делать?

Во первых, можно уменьшить шаг. Скажем в 10 раз, пусть секунды

Уже лучше, погрешность в конце счета не превышает 0,05 метров, и это в 10 раз меньше предыдущего значения. Можно предположить, что уменьшив шаг ещё в 10 раз мы получим ещё более точное решение. Я схитрил, выводя значения только для 10 точек с шагом 0.1, на самом деле, чтобы получить такую таблицу нужны уже 100 итерации а не 10. При шаге 0.001 потребуется уже тысяча итераций, а результат будет таким

Если вы попробовали выполнить эти расчеты в ручную, то понимаете теперь насколько они однообразны и трудоемки, если нужна высокая точность. Именно поэтому расцвет численного моделирования совпал с появлением компьютеров. Они как раз и нужны для того, чтобы быстро выполнять множество однообразных операций над числами.

Метод Эйлера самый простой из известных методов интегрирования дифференциальных уравнений. Из нашего простого примера видно, что погрешность метода прямо пропорциональна шагу интегрирования, и это действительно так. Такие методы называются методами 1-го порядка точности.

Точность расчетов даже на шаге 0.1 можно улучшить, если мы применим, скажем метод Рунге-Кутты 4-го порядка точности. Но это отдельная история.

Видео:Математика без Ху!ни. Линейное неоднородное уравнение 1 порядка. Метод вариации постоянной.Скачать

Заключение

Задумайтесь… Мы рассмотрели очень простой пример. Мы даже не применяли компьютер, но уже понимаем принцип, по которому работают те самые мощные в мире суперкомпьютеры, что моделируют ранние этапы жизни Вселенной. Конечно, там всё устроено гораздо сложнее, но принцип лежит этот же самый.

Представьте себе, какой мощный инструмент вы получаете в свои руки. Эта последняя статья, где мы не будем применять компьютер. Я обещал Octave. В следующий раз будет именно он.

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

Методы решения дифференциальных уравнений

Здесь мы рассмотрим методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Это уравнения, зависящие от одной независимой переменной, зависимой переменной, и ее производных:
.
Основные определения, относящиеся к дифференциальным уравнениям, изложены на странице Основные понятия и определения дифференциальных уравнений.

Мы считаем, что уравнения имеют решения в области задания переменных; Функции, заданные неявно можно разрешить относительно одной из переменной. Мы не проводим исследования этих и подобных вопросов. Здесь мы рассматриваем только методы решения.

Мы часто будем делить, и умножать уравнения на какие-то функции. В таких операциях нужно соблюдать осторожность. От этого могут появляться дополнительные решения, или исчезать имеющиеся. Например, если мы умножим все части уравнения на , то может появиться новое решение . Если мы разделим все части уравнения на , то может исчезнуть решение , если оно имелось в исходном уравнении. То есть, если мы умножаем или делим уравнение на некоторую функцию f , то всегда нужно особо рассматривать случай f = 0 . Здесь мы не будем заострять на этом внимание.

Видео:4. Однородные дифференциальные уравнения (часть 1)Скачать

Дифференциальные уравнения первого порядка

Дифференциальное уравнение и его интеграл

Далее, если это особо не оговорено, мы считаем, что x – это независимая переменная, а y – зависимая. То есть y есть функция от x : . Однако, в уравнениях первого порядка, мы можем легко менять роли переменных. То есть можно считать y независимой переменной, а x – зависимой. Но по умолчанию, x – это независимая переменная, а y – зависимая.

Пусть у нас есть дифференциальное уравнение первого порядка, разрешенное относительно производной. Запишем его в следующем виде:
(1) .
Здесь p и q – заданные функции двух переменных.

Далее рассмотрим уравнение:
(2) ,
где φ – некоторая функция двух переменных; C – постоянная, то есть число. Положим, что y есть функция от x : . Тогда будет уже сложной функцией от одной переменной x . Обозначим ее буквой : .
Перепишем уравнение (2), выразив левую часть через переменную x :
(3) .
Дифференцируем это уравнение по x , применяя правило дифференцирования сложной функции:
;
.
Мы получили дифференциальное уравнение первого порядка, имеющее тот же вид, что и уравнение (1). Отсюда следует, что если , то функция , определяемая из уравнения , является решением исходного уравнения (1).

Заметим, что левая часть уравнения является производной от функции :
.
Тогда сама функция является интегралом по отношению к уравнению (1), точнее – к его левой части. По этой причине решение уравнения, записанного в виде , называется интегралом уравнения, а сам процесс решения называется интегрированием дифференциального уравнения.

Уравнения в дифференциалах

Воспользуемся свойством дифференциалов, согласно которому
.
Перепишем уравнение (1) и умножим его на dx :
(1) ;
(4) .
Мы получили уравнение, связывающее дифференциалы переменных x и y . По этой причине такие уравнения называются дифференциальными уравнениями. Такая форма записи называется уравнением в дифференциалах, или дифференциальной формой уравнения. Уравнения (1) и (4) эквивалентны. Можно использовать любую из этих форм.

Пусть
(5) ,
где – некоторая функция двух переменных. Подставим в (4):
(6) .
Отсюда видно, что левая часть уравнения (6) является дифференциалом функции : . Тогда уравнение (6) можно переписать в виде равенства нулю дифференциала:
.
Отсюда следует, что функция равняется постоянной, которую обозначим буквой C . Тогда общий интеграл уравнения (4), при условии (5), имеет вид:
(7) .

Уравнения в полных дифференциалах

Итак, мы нашли, что если в уравнении
(4) ,
функции p и q являются частными производными
(5)
от некоторой функции φ , то уравнение (4) имеет интеграл
(7) .
Такие уравнения называются дифференциальными уравнениями в полных дифференциалах.

Как правило интеграл уравнения (7) нам не известен, а известно лишь само уравнение, то есть известны функции и . Возникает вопрос, как по известным функциям p и q определить, что левая часть уравнения является полным дифференциалом? Оказывается, что сделать это достаточно просто. Для того, чтобы уравнение было в полных дифференциалах, необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие:
(8) .
Доказательство

Зная, что уравнение относится к классу уравнения в полных дифференциалах, мы можем найти функцию , применяя несколько методов. Рассмотрим метод последовательного выделения дифференциала. В этом методе, мы применяем формулы дифференцирования, записанные в дифференциальной форме:
;
;
;
.
Здесь и могут быть любыми функциями от и . Рассмотрим применение этого метода на конкретном примере.

Пример

Дано уравнение:
(П1) .
Требуется проверить, является ли это уравнение в полных дифференциалах. И если является, то решить его.

В нашем случае . Проверим, является ли это уравнение в полных дифференциалах. Находим частные производные.
;
.
Видно, что . То есть это уравнение в полных дифференциалах. Решаем его, последовательно выделяя дифференциал.

.
Итак, мы нашли эквивалентное (П1) уравнение
.
Отсюда получаем его общий интеграл:
.

Решать подобные уравнения можно также и методом последовательного интегрирования. Решение этим методом можно найти на странице Дифференциальные уравнения в полных дифференциалах

Интегрирующий множитель

Итак, мы научились решать дифференциальные уравнения первого порядка
(4)
при условии
(8) .
Но если существует единственное решение уравнения (4), и условие (8) не выполняется, то оказывается, что существует такая функция , умножив на которую уравнение (4), оно становится уравнением в полных дифференциалах. Причем существует бесконечное множество таких функций. Доказательство

В качестве примера рассмотрим уравнение:
(П2) .
Перепишем его, сгруппировав члены:
.
Заметим, что . Поэтому разделим уравнение на , чтобы выделить полный дифференциал . При имеем:
.
Выделяем полный дифференциал:
;
.
Отсюда получаем общий интеграл исходного уравнения:
.
В уравнении (П2), интегрирующий множитель равен . Когда мы умножили на него уравнение, то оно стало уравнением в полных дифференциалах, которое мы и решили.

Заметим, что при умножении уравнения на множитель , мы получили другое уравнение. Оно эквивалентно исходному за исключением точек, в которых и . Уравнение корней не имеет. Поэтому этот случай отпадает. А уравнение имеет корень :
.
Поэтому умножение уравнения на множитель дает эквивалентное уравнение, за исключением точек . Другими словами, поскольку мы разделили уравнение на , то нужно проверить случай . Подстановкой в (П2) убеждаемся, что также является решением исходного уравнения. Поэтому общее решение имеет вид:
; .

В этом примере мы угадали, что если уравнение умножить на , то можно выделить полный дифференциал. Не смотря на то, что для любого уравнения, при условии существования его решения, интегрирующий множитель существует, у нас нет общего метода, который позволяет найти его для любого дифференциального уравнения. Можно попытаться это сделать, но для произвольного уравнения нет гарантии, что мы найдем интегрирующий множитель, и решим уравнение. К счастью есть несколько классов уравнений, для которых это сделать можно. Эти типы уравнений мы и рассмотрим.

Уравнения с разделяющимися переменными

Рассмотрим уравнение
(9) ,
где – некоторые заданные функции. Перепишем это уравнение в дифференциалах:
.
Разделим его на . При имеем:
(11) .
Уравнение имеет вид суммы, каждое слагаемое которой зависит только от одной переменной. Говорят, что переменные разделились, а уравнение (9), по этой причине, называют дифференциальным уравнением с разделяющимися переменными.

Нетрудно видеть, что уравнение (11) в полных дифференциалах. Действительно, поскольку множитель при dx не зависит от y , то . Поскольку множитель при dy не зависит от x , то .
Видно, что необходимое и достаточное условие для полных дифференциалов выполняется:
.

Таким образом мы нашли интегрирующий множитель: . Это позволяет нам выделить дифференциал и получить решение в квадратурах:
;
;
.
Отсюда получаем общий интеграл:
.

Пример

Решить уравнение:
(П3) .

Перепишем (П3) в дифференциалах:
.
Разделим на . При имеем:
.
Переменные разделились. Общий интеграл имеет вид:
.
Далее, см. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными

Уравнения, приводящиеся к разделяющимся переменным

К уравнению с разделяющимися переменными приводятся уравнения вида
,
где f – функция; a, b, c – постоянные. Для решения подобного уравнения нужно от переменной y перейти к новой переменной u , сделав подстановку .

Пример

Решить уравнение:
(П4.1)

От переменной y перейдем к переменной u . Делаем подстановку:
(П4.2) .
Здесь и – функции от x . Дифференцируем (П4.2) по x , и подставляем (П4.1):
;
.
Тем самым мы получили дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными.
См. далее Дифференциальные уравнения, приводящиеся к уравнениям с разделяющимися переменными

Однородные уравнения

Однородные дифференциальные уравнения первого порядка имеют вид
.
Чтобы определить, является ли уравнение однородным, нужно сделать замену . Здесь t – постоянная. Если t сократится, то это однородное уравнение. Для его решения нужно от переменной y перейти к переменной u , сделав подстановку . После этого, уравнение сводится к уравнению с разделяющимися переменными.

Пример

Проверим, является ли это уравнение однородным. Сделаем замену . Считаем, что постоянная :
;
;
.
Постоянная t сократилась. Она также сократится, если считать . Это однородное уравнение. Переходим от переменной y к переменной u . Для этого делаем подстановку , где u – функция от x . Дифференцируем по x :
.
Подставляем в(П5):
;
;
.
При , берем знак ′+′ . При – знак ′–′ . Мы получили уравнение с разделяющимися переменными, решать которое мы уже умеем.
Далее см. Однородные дифференциальные уравнения первого порядка

Уравнения, приводящиеся к однородным

Уравнение вида
.
приводится к однородному подстановками
,
где – новые переменные; – постоянные, которые выбираются из условий
.

Пример

От переменных x и y , переходим к переменным t и u . Делаем подстановку . Тогда ;
;
;
.
Решаем систему из двух линейных уравнений

Определив и , получаем однородное уравнение:
.
Метод решения такого уравнения мы только что рассмотрели. См. Дифференциальные уравнения первого порядка, приводящиеся к однородным

Обобщенные однородные уравнения

К однородным уравнениям приводятся уравнения вида
.
Чтобы определить, является ли дифференциальное уравнение обобщенным однородным, нужно ввести постоянную t и сделать замену: . Если удастся выбрать такое значение α , при котором постоянная t сократится, то это – обобщенное однородное дифференциальное уравнение. Для решения этого уравнения, нужно от переменной y перейти к переменной u , сделав подстановку . При этом уравнение сводится к разделяющимся переменным.

Пример

Проверим, является ли уравнение (П7) обобщенным однородным. Делаем замену: .
.
Подставляем в (П7):
.
Делим на :
.
Отсюда видно, что t сокращается, если положить .

Итак, мы нашли, что это обобщенное однородное уравнение с . Решаем его. От переменной y переходим к переменной u , выполняя подстановку .
;
;
.
Подставляем в (П7):
(П7) ;
;
;
;
.
Мы получили уравнение с разделяющимися переменными.
См. далее Обобщенные однородные дифференциальные уравнения первого порядка

Линейные уравнения

Дифференциальные уравнения, вида
(11)
называются линейными дифференциальными уравнениями первого порядка.

Решение с помощью интегрирующего множителя

Уравнение (11) имеет интегрирующий множитель .
См. Решение линейных дифференциальных уравнений первого порядка
Продемонстрируем это на примере.

Пример

Это линейное уравнение первого порядка. Решаем его с помощью интегрирующего множителя. Разделим (П8.1) на x :
(П8.2) .
Тогда . Находим интегрирующий множитель :
; .
Пусть . Тогда . Умножаем (П8.2) на и выделяем полный дифференциал:
;
;
;
.
Отсюда , или .

Мы нашли интегрирующий множитель полагая, что . После умножения на него, мы получили уравнение в полных дифференциалах как при , так и при . При решении мы нигде не полагали, что . Это предположение нам потребовалось, только чтобы выбрать интегрирующий множитель. На самом деле, любое уравнение первого порядка имеет бесконечное число интегрирующих множителей. Поэтому, если бы мы в самом начале взяли , то получили бы множитель . И с его помощью, получили то же самое решение.

Решение методом Бернулли

Линейное уравнение первого порядка можно решить красивым приемом, введя две функции и , зависящие от переменной x . Сделаем подстановку . Тогда . Подставим в исходное уравнение (11):
(11) ;
;
(12) .
Наложим условие
(13) .
Уравнение (13) с разделяющимися переменными. Решаем его, и возьмем любое, отличное от нуля частное решение. Так мы определим функцию . Учитывая (13), уравнение (12) примет вид:
.
Теперь здесь уже известная функция, и это уравнение с разделяющимися переменными. Решая его, найдем общее решение . Вместе с этим получаем общее решение исходного уравнения (11): .
Подробнее, см. Решение линейного ДУ первого порядка методом Бернулли

Решение методом Лагранжа

Метод Лагранжа интересен тем, что указывает путь поиска решения от простого к сложному. Рассмотрим линейное уравнение:
(11) .
Давайте его упростим. Сначала рассмотрим однородное уравнение – то есть уравнение с :
(14) .
Это уравнение с разделяющимися переменными, и мы можем его решить:
;
;
;
;
.
Заменим постоянную на C . Тогда общее решение примет вид:
(15) , где .

Теперь вернемся к исходному неоднородному уравнению (11). Попытаемся найти его решение, используя решение более простого, однородного уравнения (14). Для этого в (15) заменим постоянную C на функцию, зависящую от переменной x : . То есть будем искать решение в виде
.
Подставляя в (11), получим для дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными, которое решается в квадратурах. Решив его, получаем решение исходного уравнения. Такой метод решения называется методом вариации постоянных, или методом Лагранжа.
См. Решение линейных ДУ первого порядка методом Лагранжа

Дифференциальное уравнение Бернулли

Дифференциальное уравнение Бернулли имеет вид:
,
где и – заданные функции от x . Можно убедиться, что оно сводится к линейному уравнению подстановкой .
См. Дифференциальное уравнение Бернулли и методы его решения

Однако его легче решать методом двух функций Бернулли. Для этого вводим две функции и . Ищем решение в виде . Одну из этих функций выбираем так, чтобы уравнение для другой функции превратилось в уравнение с разделяющимися переменными.

Пример

Это уравнение Бернулли. Решаем методом Бернулли. Ищем решение в виде произведения двух функций: . Тогда
. Подставляем в (П9.1):
;
(П9.2) .
Одну из этих функций мы можем выбрать произвольным образом. Выберем v так, чтобы выражение в круглых скобках равнялось нулю:
(П9.3) .
Тогда уравнение (П9.2) превратится в уравнение с разделяющимися переменными.

Решаем уравнение (П9.3). Разделяем переменные.
;
;
;
;
.
Возьмем решение , или .

Подставим в (П9.2), учитывая (П9.3), и разделяем переменные:
(П9.2) ;
;
;
.
При имеем:
;
;
;
;
;
.
Заменим постоянную интегрирования: . Тогда решение уравнения (П9.1) примет вид:
.

Теперь рассмотрим случай . Нетрудно увидеть, что это также решение уравнения (П9.2). Тогда является решением исходного уравнения. Получаем общее решение исходного уравнения:
.

Уравнения, не разрешенные относительно производной

Существует несколько типов уравнений, не разрешенных относительно производной, которые допускают решение. При этом они должны быть разрешены относительно одной из переменной. Далее перечислены типы этих уравнений, и даны ссылки на страницы с методами их решений.

Видео:Метод ЭйлераСкачать

Дифференциальные уравнения второго и высших порядков

Уравнения, допускающие понижение порядка

Уравнения, не содержащие y в явном виде

Рассмотрим уравнения вида
.
Если сделать подстановку , то . То есть мы понизили на единицу порядок такого уравнения.
См. Дифференциальные уравнения, не содержащие функцию в явном виде

Уравнения, не содержащие x в явном виде

Рассмотрим уравнения, которые не содержат независимую переменную x в явном виде:
.
Мы можем понизить порядок таких уравнений, если от переменных x и y перейдем к независимой переменной y и зависимой переменной y′ . То есть, считаем, что все производные являются функциями от y .

Пример

Это уравнение не содержит независимую переменную x в явном виде. Переходим к новым переменным. Пусть независимой переменной является y , а зависимой y′ . Введем для нее обозначение:
. Тогда по правилу дифференцирования сложной функции, имеем:
.

Подставляем в (П10.1):
.
Мы получили дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными.
Далее, см. Дифференциальные уравнения высших порядков, не содержащие переменную в явном виде

Уравнения, однородные относительно функции и ее производных

Это уравнения вида
.
Чтобы распознать такое уравнение, нужно сделать замены , и т.д. Если постоянная t сократится, то это уравнение однородное относительно функции и ее производных.

Для решения, мы от зависимой переменной y переходим к новой зависимой переменной u с помощью подстановки
,
где – функция от x .

Пример

Проверим, является ли это уравнение однородным относительно функции и ее производных. Заменим в исходном уравнении y на ty , y′ на ty′ , y′′ на ty′′ :
;
.
Постоянная t сокращается. Значит это уравнение однородное относительно функции и ее производных.

Делаем подстановку , где – функция от x .
.
(П11.1) ;
.
Делим на . При имеем:
;
;
.
Мы получили линейное дифференциальное уравнение первого порядка. См. далее ДУ высших порядков, однородные относительно функции и ее производных

Линейные уравнения с постоянными коэффициентами

В линейных уравнениях с постоянными коэффициентами, допускающими решение в аналитическом виде, можно сделать линейную подстановку, и понизить порядок уравнения. Однако проще воспользоваться свойствами линейных уравнений и решать их более простым методом.

Общие свойства линейных уравнений

Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение n-го порядка с постоянными коэффициентами:
(Л1) ,
где – постоянные, то есть не зависящие от переменной x коэффициенты (числа). При этом . Это уравнение имеет n линейно независимых решений:
(Л2) .
Они называются фундаментальной системой решений. Когда n линейно независимых решений найдены, то общее решение однородного уравнения (Л1) имеет вид:
.

Теперь рассмотрим более общее – линейное неоднородное дифференциальное уравнение n-го порядка с постоянными коэффициентами:
(Л3) ,
где – непрерывная функция на некотором отрезке . Тогда, на этом отрезке, уравнение (Л3) имеет решение, удовлетворяющее заданным начальным условиям:
, где – любые действительные числа; .

Пусть есть частное (любое) решение уравнения (Л3). Тогда общее решение неоднородного уравнения (Л3) равно сумме частного решения неоднородного уравнения, и общего решения однородного:
,
где – общее решение однородного уравнения (Л1).

Если, в уравнении (Л3), неоднородную часть можно представить в виде суммы p слагаемых:
,
то частное решение равно сумме отдельных частных решений: . Здесь – частное решение уравнения
.

Решение однородного уравнения

Рассмотрим линейное однородное ДУ n-го порядка с постоянными коэффициентами:
(Л1) .
Чтобы найти его общее решение, нам нужно найти n линейно независимых решений. Или, как говорят, найти фундаментальную систему решений. Ищем решение в виде . Подставляя в (Л1), получаем уравнение степени n, которое называют характеристическим уравнением:
(Л4) .
Оно имеет n корней , и может быть записано в виде:
.
Каждому корню соответствует частное решение, входящее в состав фундаментальной системы. При этом корни могут быть кратными и комплексными. Рассмотрим правила составления линейно независимых решений.

Действительному единственному корню соответствует решение .
Действительному корню кратности p , соответствуют p линейно независимых решений:
.
Если есть единственный комплексный корень , то имеется и комплексно сопряженный корень . Им соответствуют два линейно независимых решения
.
Если есть кратный комплексный корень кратности p , то имеется и комплексно сопряженный корень, кратности p : . Им соответствуют 2 p линейно независимых решений
;
;
;
.
.

Пример

Ищем решение в виде . Составляем характеристическое уравнение и преобразуем его:
;
(П12.2) .
Решаем квадратное уравнение :
.
Перепишем характеристическое уравнение (П12.2) в эквивалентном виде:
.
Корням кратности 2 соответствуют два линейно независимых решения:
;
.
Комплексно сопряженным корням , соответствуют решения
.
Общее решение:
.

Решение уравнений со специальной неоднородностью

Рассмотрим, часто встречающееся в приложениях, линейное неоднородное уравнение с постоянными коэффициентами со специальной неоднородностью:
(Л5.1) ,
где правая часть представлена в виде произведений степенной функции, экспоненты, косинусов и синусов:
(Л5.2) .
Здесь – многочлены степеней и , соответственно.

Общее решение (Л5.1) – (Л5.2) имеет вид:
.
Здесь – общее решение однородного уравнения (с ); – частное решение неоднородного уравнения (Л5.1)–(Л5.2). Как найти общее решение , мы рассмотрели в предыдущем пункте. Изложим метод нахождения частного решения.

Ищем методом неопределенных коэффициентов. Известно, что для уравнения (Л5.1) – (Л5.2), частное решение имеет следующий вид:
(Л6) .
Здесь ; и – многочлены степени s . Если среди корней характеристического уравнения (Л4) ⇑ нет корня , то . Если такой корень есть, то m – его кратность.

Метод нахождения частного решения заключается в том, что мы ищем решение в виде (Л6). Для этого записываем многочлены в общем виде:
;
.
Здесь коэффициенты (числа), которые нужно определить. Далее мы выписываем (Л6) в общем виде:

.
Находим n производных , и подставляем их выражения в исходное уравнение (Л5.1) – (Л5.2). В левой части мы получим сумму из членов с множителями , и членов с множителями . Здесь . В правой, неоднородной части, также имеется членов с множителями , и членов с множителями . При этом часть из них может равняться нулю. Приравнивая коэффициенты при этих множителях, получим систему из уравнений, решая которую, мы определяем неизвестные коэффициенты .

Если , то правая часть имеет более простой вид:
(Л5.3) .
Тогда частное решение содержит неопределенных коэффициентов:
.
Здесь , если характеристическое уравнение (Л4) ⇑ не имеет действительного корня . Если характеристическое уравнение имеет действительный корень , то m – его кратность.
Далее находим выражения для n производных , и подставляем их в исходное уравнение (Л4.1) – (Л4.2). В левой части мы получим сумму из членов с множителями . В правой, неоднородной части, также имеется членов с множителями . Часть из них может равняться нулю. Приравнивая коэффициенты при этих множителях, получим систему из уравнений, решая которую, мы определяем неизвестные коэффициенты .

Наконец, если и , и , то
(Л5.4) .
Частное решение, как и в предыдущем случае, имеет неопределенных коэффициентов:
.
Если характеристическое уравнение не имеет действительного корня , то . Если характеристическое уравнение имеет такой корень, то m – его кратность. Находим выражения для n производных ; подставляем их в исходное уравнение (Л4.1) – (Л4.2). В левой части мы получим сумму из членов с множителями . В правой, неоднородной части, также имеется членов с множителями . Часть из них может равняться нулю. Приравнивая коэффициенты при этих множителях, получим систему из уравнений, решая которую, определяем неизвестные коэффициенты .

Решение неоднородных уравнений общего вида

Теперь рассмотрим методы решения линейного неоднородного ДУ n-го порядка с постоянными коэффициентами с неоднородностью общего вида:
(Л3) .
В отличие от предыдущего случая со специальной неоднородностью, в этом разделе мы считаем, что неоднородность имеет произвольный вид.

Решение методом Бернулли

Метод Бернулли заключается в том, что мы ищем решение уравнения
(Л3)
в виде произведения двух функций и , зависящих от переменной x :
.
Если в качестве v взять частное решение однородного уравнения
,
то такая подстановка приводит к понижению порядка исходного уравнения (Л3).

Пример

Ищем решение в виде произведения двух функций; подставляем в уравнение (П13.1) и группируем члены:
(П13.2) ;
;
.
(П13.1) ;
;
(П13.3) ;

Решаем однородное уравнение
(П13.4) .
Ищем решение в виде . Составляем и решаем характеристическое уравнение:
;
.
Получаем два кратных корня . Общее решение уравнения (П13.4):
.
В качестве v мы можем взять любое, отличное от нуля решение. Поэтому положим
. Тогда ; .

Понижение порядка линейной подстановкой

Порядок линейного уравнения с постоянными коэффициентами можно понизить с помощью подстановки . Более подробно этот материал изложен на странице «Понижение порядка в линейных неоднородных ДУ с постоянными коэффициентами». Здесь мы рассмотрим пример применения этого метода.

Пример

Решить уравнение, применяя линейную подстановку
(П14.1)

Перепишем левую часть уравнения (П14.1), введя оператор дифференцирования :
.
Подставим в (П14.1). Исходное уравнение принимает вид
.
Сделаем подстановку . В результате для переменной u получаем уравнение первого порядка:
;
.

Итак, подстановкой
(П14.2) ,
мы получили уравнение первого порядка:
(П14.3) .

Решаем уравнение (П14.3), умножая его на интегрирующий множитель :
;
;
;
;
.

Подставляем в уравнение (П14.2) и решаем его с помощью интегрирующего множителя .
;
;
;
;
;
.

Метод вариации постоянных Лагранжа

Выпишем еще раз линейное неоднородного ДУ n-го порядка с постоянными коэффициентами:
(Л3) .
Метод вариации постоянных, который мы применили для уравнения первого поряддка, также применим и для уравнений произвольного порядка.

Для решения уравнения (Л3), мы вначале решаем однородное уравнение
.
Получаем его общее решение, которое имеет вид:
(Л7) .
Далее мы считаем, что постоянные являются функциями от x . То есть заменяем постоянные на некоторые, пока не известные, функции . Подставляем в (Л7), и ищем решение исходного уравнения (Л3) в следующем виде:
(Л8) .
Подставляем (Л8) в (Л3). При этом на функции накладываем дополнительные ограничения:
.
В результате получаем систему n линейных уравнений относительно неизвестных . Решая эту систему, получаем значения производных , как функций от x . Интегрируя, получаем выражения для самих функций . Подставляя в (Л8), получаем общее решение исходного уравнения (Л3).

Уравнение Эйлера

Уравнение
(Л9)
называется дифференциальным уравнением Эйлера. Подстановкой
(Л10)
оно приводится к уравнению с постоянными коэффициентами.

В некоторых случаях, уравнение Эйлера проще решать напрямую, не прибегая к подстановке (Л10). При решении неоднородного уравнения, к уравнению Эйлера применимы методы двух функций Бернулли, и метод вариации постоянных Лагранжа.

Рассмотрим однородное уравнение Эйлера:
(Л11) .
Его тоже проще решить без подстановки (Л10). Для этого мы ищем решение в виде . Находим производные, и подставляем в уравнение (Л11). В результате получаем характеристическое уравнение степени n . Оно имеет n корней.

Действительному корню , кратности p , соответствуют p линейно независимых решений
;
.
Если есть комплексный корень кратности p , то есть и комплексно сопряженный корень кратности p . Им соответствуют линейно независимых решений
;
;
.
.
Определив фундаментальную систему решений , получаем общее решение однородного уравнения (Л11):
.

Использованная литература:
В.В. Степанов, Курс дифференциальных уравнений, «ЛКИ», 2015.
Л.Э. Эльсгольц, Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление, М., 1969.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 31-05-2020

📹 Видео

ЛОДУ 2 порядка c постоянными коэффициентамиСкачать

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

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

6. Дифференциальные уравнения, приводящиеся к однороднымСкачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами 4y''-y=x^3-24x #1Скачать

Дифференциальные уравнения. 11 класс.Скачать

Дифференциальные уравнения, 1 урок, Дифференциальные уравнения. Основные понятияСкачать

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

Линейное дифференциальное уравнение Коши-ЭйлераСкачать

6. Особые решения ДУ первого порядкаСкачать

Дифференциальные уравнения, 4 урок, Линейные дифференциальные уравнения первого порядкаСкачать