Приведем уравнение к виду x f x

Виды дифференциальных уравнений

Существует целый ряд задач, в которых установить прямую связь между величинами, применяемыми для описания процесса, не получается. Единственное, что можно сделать, это получить равенство, запись которого включает производные исследуемых функций, и решить его. Решение дифференциального уравнения позволяет установить непосредственную связь между величинами.

В этом разделе мы займемся разбором решений дифференциальных уравнений, неизвестная функция в которых является функцией одной переменной. Мы построили теоретическую часть таким образом, чтобы даже человек с нулевым представлением о дифференциальных уравнениях мог без труда получить необходимые знания и справиться с приведенными задачами.

Если какие-то термины окажутся для вас новыми, обратитесь к разделу «Определения и понятия теории дифференциальных уравнений». А тем временем перейдем к рассмотрению вопроса о видах дифференциальных уравнений.

Для каждого из видов дифференциальных уравнений применяется свой метод решения. В этом разделе мы рассмотрим все эти методы, приведем примеры с подробными разборами решения. После ознакомления с темой вам необходимо будет определять вид дифференциального уравнения и выбирать наиболее подходящий из методов решения поставленной задачи.

Возможно, прежде чем приступить к решению дифференциальных уравнений, вам придется освежить в памяти такие темы как «Методы интегрирования» и «Неопределенные интегралы».

Начнем ознакомление с темой мы с видов обыкновенных дифференциальных уравнений 1 -го порядка. Эти уравнения могут быть разрешены относительно производной. Затем перейдем в ОДУ 2 -го и высших порядков. Также мы уделим внимание системам дифференциальных уравнений.

Напомним, что y ‘ = d x d y , если y является функцией аргумента x .

Содержание
  1. Дифференциальные уравнения первого порядка
  2. Простейшие дифференциальные уравнения первого порядка вида y ‘ = f ( x )
  3. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными вида f 1 ( y ) · g 1 ( x ) d y = f 2 ( y ) · g 2 ( x ) d x или f 1 ( y ) · g 1 ( x ) · y ‘ = f 2 ( y ) · g 2 ( x )
  4. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка y ‘ + P ( x ) · y = Q ( x )
  5. Дифференциальное уравнение Бернулли y ‘ + P ( x ) y = Q ( x ) y a
  6. Уравнения в полных дифференциалах P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0
  7. Дифференциальные уравнения второго порядка
  8. Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами y ‘ ‘ + p y ‘ + q y = 0 , p , q ∈ R
  9. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами y ‘ ‘ + p y ‘ + q y = f ( x ) , p , q ∈ R
  10. Линейные однородные дифференциальные уравнения (ЛОДУ) y ‘ ‘ + p ( x ) · y ‘ + q ( x ) · y = 0 и линейные неоднородные дифференциальные уравнения (ЛНДУ) второго порядка y ‘ ‘ + p ( x ) · y ‘ + q ( x ) · y = f ( x )
  11. Дифференциальные уравнения высших порядков
  12. Дифференциальные уравнения, допускающие понижение порядка
  13. Линейные однородные и неоднородные дифференциальные уравнения высших порядков с постоянными коэффициентами y ( n ) + f n — 1 · y ( n — 1 ) + . . . + f 1 · y ‘ + f 0 · y = 0 и y ( n ) + f n — 1 · y ( n — 1 ) + . . . + f 1 · y ‘ + f 0 · y = f ( x )
  14. Линейные однородные и неоднородные дифференциальные уравнения высших порядков y ( n ) + f n — 1 ( x ) · y ( n — 1 ) + . . . + f 1 ( x ) · y ‘ + f 0 ( x ) · y = 0 и y ( n ) + f n — 1 ( x ) · y ( n — 1 ) + . . . + f 1 ( x ) · y ‘ + f 0 ( x ) · y = f ( x )
  15. Системы дифференциальных уравнений вида d x d t = a 1 x + b 1 y + c 1 d y d t = a 2 x + b 2 y + c 2
  16. Обыкновенные дифференциальные уравнения
  17. Обыкновенные дифференциальные уравнения
  18. Основные понятия о дифференциальных уравнениях
  19. Дифференциальные уравнения первого порядка
  20. Дифференциальные уравнения с разделенными переменными
  21. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными
  22. Однородные дифференциальные уравнения
  23. Линейные дифференциальные уравнения
  24. Дифференциальное уравнение Бернулли
  25. Обыновенное дефференциальное уравнение
  26. Основные понятия и определения
  27. Примеры с решением
  28. Системы обыкновенных дифференциальных уравнений
  29. Системы дифференциальных уравнений первого порядка
  30. Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
  31. Примеры решения дифференциальных уравнений с ответами
  32. Алгоритм решения дифференциальных уравнений
  33. Примеры решения дифференциальных уравнений
  34. 💥 Видео

Видео:Приведение линейного уравнения в частных производных c постоянными коэфф--ми к каноническому виду.Скачать

Приведение линейного уравнения в частных производных c постоянными коэфф--ми к каноническому виду.

Дифференциальные уравнения первого порядка

Простейшие дифференциальные уравнения первого порядка вида y ‘ = f ( x )

Начнем с примеров таких уравнений.

y ‘ = 0 , y ‘ = x + e x — 1 , y ‘ = 2 x x 2 — 7 3

Оптимальным для решения дифференциальных уравнений f ( x ) · y ‘ = g ( x ) является метод деления обеих частей на f ( x ) . Решение относительно производной позволяет нам прийти к уравнению вида y ‘ = g ( x ) f ( x ) . Оно является эквивалентом исходного уравнения при f ( x ) ≠ 0 .

Приведем примеры подобных дифференциальных уравнений:

e x · y ‘ = 2 x + 1 , ( x + 2 ) · y ‘ = 1

Мы можем получить ряд дополнительных решений в тех случаях, когда существуют значения аргумента х , при которых функции f ( x ) и g ( x ) одновременно обращаются в 0 . В качестве дополнительного решения в уравнениях f ( x ) · y ‘ = g ( x ) при заданных значениях аргумента может выступать любая функция, определенная для заданного значения х .

Наличие дополнительных решений возможно для дифференциальных уравнений x · y ‘ = sin x , ( x 2 — x ) · y ‘ = ln ( 2 x 2 — 1 )

Ознакомиться с теоретической частью и примерами решения задач таких уравнений вы можете в разделе «Простейшие дифференциальные уравнения 1 -го порядка».

Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными вида f 1 ( y ) · g 1 ( x ) d y = f 2 ( y ) · g 2 ( x ) d x или f 1 ( y ) · g 1 ( x ) · y ‘ = f 2 ( y ) · g 2 ( x )

Поговорим теперь об уравнениях с разделенными переменными, которые имеют вид f ( y ) d y = g ( x ) d x . Как следует из названия, к данному виду дифференциальных уравнений относятся выражения, которые содержат переменные х и у , разделенные знаком равенства. Переменные находятся в разных частях уравнения, по обе стороны от знака равенства.

Решить уравнения с разделенными переменными можно путем интегрирования обеих его частей: ∫ f ( y ) d y = ∫ f ( x ) d x

К числу дифференциальных уравнений с разделенными переменными можно отнести следующие из них:

y 2 3 d y = sin x d x , e y d y = ( x + sin 2 x ) d x

Для того, чтобы прийти от ДУ с разделяющимися переменными к ДУ с разделенными переменными, необходимо разделить обе части уравнения на произведение f 2 ( y ) ⋅ g 1 ( x ) . Так мы придем к уравнению f 1 ( y ) f 2 ( y ) d y = g 2 ( x ) g 1 ( x ) d x . Преобразование можно будет считать эквивалентным в том случае, если одновременно f 2 ( y ) ≠ 0 и g 1 ( x ) ≠ 0 . Если хоть одно из условий не будет соблюдаться, мы можем потерять часть решений.

В качестве примеров дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными можно привести следующие из них: d y d x = y · ( x 2 + e x ) , ( y 2 + a r c cos y ) · sin x · y ‘ = cos x y .

К уравнениям с разделяющимися переменными мы можем прийти от ряда дифференциальных уравнений других видов путем замены переменных. Например, мы можем подставить в исходное уравнение z = a x + b y . Это позволит нам перейти к дифференциальному уравнению с разделяющимися переменными от дифференциального уравнения вида y ‘ = f ( a x + b y ) , a , b ∈ R .

Подставив z = 2 x + 3 y в уравнение y ‘ = 1 e 2 x + 3 y получаем d z d x = 3 + 2 e z e z .

Заменив z = x y или z = y x в выражениях y ‘ = f x y или y ‘ = f y x , мы переходим к уравнениям с разделяющимися переменными.

Если произвести замену z = y x в исходном уравнении y ‘ = y x · ln y x + 1 , получаем x · d z d x = z · ln z .

В ряде случаев прежде, чем производить замену, необходимо произвести преобразования исходного уравнения.

Предположим, что в условии задачи нам дано уравнение y ‘ = y 2 — x 2 2 x y . Нам необходимо привести его к виду y ‘ = f x y или y ‘ = f y x . Для этого нам нужно разделить числитель и знаменатель правой части исходного выражения на x 2 или y 2 .

Нам дано уравнение y ‘ = f a 1 x + b 1 y + c 1 a 2 x + b 2 y + c 2 , a 1 , b 1 , c 1 , a 2 , b 2 , c 2 ∈ R .

Для того, чтобы привести исходное уравнение к виду y ‘ = f x y или y ‘ = f y x , нам необходимо ввести новые переменные u = x — x 1 v = y — y 1 , где ( x 1 ; y 1 ) является решением системы уравнений a 1 x + b 1 y + c 1 = 0 a 2 x + b 2 y + c 2 = 0

Введение новых переменных u = x — 1 v = y — 2 в исходное уравнение y ‘ = 5 x — y — 3 3 x + 2 y — 7 позволяет нам получить уравнение вида d v d u = 5 u — v 3 u + 2 v .

Теперь выполним деление числителя и знаменателя правой части уравнения на u . Также примем, что z = u v . Получаем дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными u · d z d u = 5 — 4 z — 2 z 2 3 + 2 z .

Подробный разбор теории и алгоритмов решения задач мы привели в разделе «Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными».

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка y ‘ + P ( x ) · y = Q ( x )

Приведем примеры таких уравнений.

К числу линейных неоднородных дифференциальных уравнений 1 -го порядка относятся:

y ‘ — 2 x y 1 + x 2 = 1 + x 2 ; y ‘ — x y = — ( 1 + x ) e — x

Для решения уравнений этого вида применяется метод вариации произвольной постоянной. Также мы можем представить искомую функцию у в виде произведения y ( x ) = u ( x ) v ( x ) . Алгоритмы применения обоих методов мы привели в разделе «Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка».

Дифференциальное уравнение Бернулли y ‘ + P ( x ) y = Q ( x ) y a

Приведем примеры подобных уравнений.

К числу дифференциальных уравнений Бернулли можно отнести:

y ‘ + x y = ( 1 + x ) e — x y 2 3 ; y ‘ + y x 2 + 1 = a r c t g x x 2 + 1 · y 2

Для решения уравнений этого вида можно применить метод подстановки z = y 1 — a , которая выполняется для того, чтобы свести исходное уравнение к линейному дифференциальному уравнению 1 -го порядка. Также применим метод представления функции у в качестве y ( x ) = u ( x ) v ( x ) .

Алгоритм применения обоих методов приведен в разделе «Дифференциальное уравнение Бернулли». Там же можно найти подробный разбор решения примеров по теме.

Уравнения в полных дифференциалах P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0

Если для любых значений x и y выполняется ∂ P ( x , y ) ∂ y = ∂ Q ( x , y ) ∂ x , то этого условия необходимо и достаточно, чтобы выражение P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y представляло собой полный дифференциал некоторой функции U ( x , y ) = 0 , то есть, d U ( x , y ) = P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y . Таким образом, задача сводится к восстановлению функции U ( x , y ) = 0 по ее полному дифференциалу.

Выражение, расположенное в левой части записи уравнения ( x 2 — y 2 ) d x — 2 x y d y = 0 представляет собой полный дифференциал функции x 3 3 — x y 2 + C = 0

Для более подробного ознакомления с теорией и алгоритмами решения примеров можно обратиться к разделу «Уравнения в полных дифференциалах».

Видео:ПРОСТЕЙШИЙ способ решения Показательных УравненийСкачать

ПРОСТЕЙШИЙ способ решения Показательных Уравнений

Дифференциальные уравнения второго порядка

Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами y ‘ ‘ + p y ‘ + q y = 0 , p , q ∈ R

Линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами обычно решается достаточно просто. Нам необходимо найти корни характеристического уравнения k 2 + p k + q = 0 . Здесь возможны три варианта в зависимости от различных p и q :

  • действительные и различающиеся корни характеристического уравнения k 1 ≠ k 2 , k 1 , k 2 ∈ R ;
  • действительные и совпадающие k 1 = k 2 = k , k ∈ R ;
  • комплексно сопряженные k 1 = α + i · β , k 2 = α — i · β .

Значения корней характеристического уравнения определяет, как будет записано общее решение дифференциального уравнения. Возможные варианты:

  • y = C 1 e k 1 x + C 2 e k 2 x ;
  • y = C 1 e k x + C 2 x e k x ;
  • y = e a · x · ( C 1 cos β x + C 2 sin β x ) .

Пример 13

Предположим, что у нас есть линейное однородное дифференциальное уравнение 2 -го порядка с постоянными коэффициентами y ‘ ‘ + 3 y ‘ = 0 . Найдем корни характеристического уравнения k 2 + 3 k = 0 . Это действительные и различные k 1 = — 3 и k 2 = 0 . Это значит, что общее решение исходного уравнения будет иметь вид:

y = C 1 e k 1 x + C 2 e k 2 x ⇔ y = C 1 e — 3 x + C 2 e 0 x ⇔ y = C 1 e — 3 x + C 2

Восполнить пробелы в теоретической части и посмотреть подробный разбор примеров по теме можно в статье «Линейные однородные дифференциальные уравнения 2 -го порядка с постоянными коэффициентами».

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами y ‘ ‘ + p y ‘ + q y = f ( x ) , p , q ∈ R

Основным способом решение уравнений данного вида является нахождение суммы общего решения y 0 , которое соответствует линейному однородному дифференциальному уравнению y ‘ ‘ + p y ‘ + q y = 0 , и частного решения y

исходного уравнения. Получаем: y = y 0 + y

Способ нахождения y 0 мы рассмотрели в предыдущем пункте. Найти частное решение y

мы можем методом неопределенных коэффициентов при определенном виде функции f ( x ) , которая расположена в правой части записи исходного выражения. Также применим метод вариации произвольных постоянных.

К числу линейных неоднородных дифференциальных уравнений 2 -го порядка с постоянными коэффициентами относятся:

y ‘ ‘ — 2 y ‘ = ( x 2 + 1 ) e x ; y ‘ ‘ + 36 y = 24 sin ( 6 x ) — 12 cos ( 6 x ) + 36 e 6 x

Теоретические выкладки и подробный разбор примеров по теме можно найти в разделе «ЛНДУ 2 -го порядка с постоянными коэффициентами».

Линейные однородные дифференциальные уравнения (ЛОДУ) y ‘ ‘ + p ( x ) · y ‘ + q ( x ) · y = 0 и линейные неоднородные дифференциальные уравнения (ЛНДУ) второго порядка y ‘ ‘ + p ( x ) · y ‘ + q ( x ) · y = f ( x )

Линейные однородные и неоднородные дифференциальные уравнения и постоянными коэффициентами являются частными случаями дифференциальных уравнений этого вида.

На некотором отрезке [ a ; b ] общее решение линейного однородного дифференциального уравнения y ‘ ‘ + p ( x ) · y ‘ + q ( x ) · y = 0 представлено линейной комбинацией двух линейно независимых частных решений y 1 и y 2 этого уравнения, то есть, y = C 1 y 1 + C 2 y 2 .

Частные решения мы можем выбрать из систем независимых функций:

1 ) 1 , x , x 2 , . . . , x n 2 ) e k 1 x , e k 2 x , . . . , e k n x 3 ) e k 1 x , x · e k 1 x , . . . , x n 1 · e k 1 x , e k 2 x , x · e k 2 x , . . . , x n 2 · e k 2 x , . . . e k p x , x · e k p x , . . . , x n p · e k p x 4 ) 1 , c h x , s h x

Однако существуют примеру уравнений, для которых частные решения не могут быть представлены в таком виде.

Возьмем для примера линейное однородное дифференциальное уравнение x y ‘ ‘ — x y ‘ + y = 0 .

Общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения y ‘ ‘ + p ( x ) · y ‘ + q ( x ) · y = f ( x ) мы можем найти в виде суммы y = y 0 + y

, где y 0 — общее решение соответствующего ЛОДУ, а y

частное решение исходного дифференциального уравнения. Найти y 0 можно описанным выше способом. Определить y

нам поможет метод вариации произвольных постоянных.

Возьмем для примера линейное неоднородное дифференциальное уравнение x y ‘ ‘ — x y ‘ + y = x 2 + 1 .

Более подробно этот раздел освещен на странице «Линейные дифференциальные уравнения второго порядка».

Видео:Уравнения. Вебинар | МатематикаСкачать

Уравнения. Вебинар | Математика

Дифференциальные уравнения высших порядков

Дифференциальные уравнения, допускающие понижение порядка

Мы можем провести замену y ( k ) = p ( x ) для того, чтобы понизить порядок исходного дифференциального уравнения F ( x , y ( k ) , y ( k + 1 ) , . . . , y ( n ) ) = 0 , которое не содержит искомой функции и ее производных до k — 1 порядка.

В этом случае y ( k + 1 ) = p ‘ ( x ) , y ( k + 2 ) = p ‘ ‘ ( x ) , . . . , y ( n ) = p ( n — k ) ( x ) , и исходное дифференциальное уравнение сведется к F 1 ( x , p , p ‘ , . . . , p ( n — k ) ) = 0 . После нахождения его решения p ( x ) останется вернуться к замене y ( k ) = p ( x ) и определить неизвестную функцию y .

Дифференциальное уравнение y ‘ ‘ ‘ x ln ( x ) = y ‘ ‘ после замены y ‘ ‘ = p ( x ) станет уравнением с разделяющимися переменными y ‘ ‘ = p ( x ) , и его порядок с третьего понизится до первого.

В уравнении, которое не содержит аргумента х и имеет вид F ( y , y ‘ , y ‘ ‘ , . . . , y ( n ) ) = 0 , порядок может быть заменен на единицу следующим образом: необходимо провести замену d y d x = p ( y ) , где p ( y ( x ) ) будет сложной функцией. Применив правило дифференцирования, получаем:

d 2 y d x 2 = d p d y d y d x = d p d y p ( y ) d 3 y d x 3 = d d p d y p ( y ) d x = d 2 p d y 2 d y d x p ( y ) + d p d y d p d y d y d x = = d 2 p d y 2 p 2 ( y ) + d p d y 2 p ( y )
Полученный результаты подставляем в исходное выражение. При этом мы получим дифференциальное уравнение, порядок которого на единицу меньше, чем у исходного.

Рассмотрим решение уравнения 4 y 3 y ‘ ‘ = y 4 — 1 . Путем замены d y d x = p ( y ) приведем исходное выражение к уравнению с разделяющимися переменными 4 y 3 p d p d y = y 4 — 1 .

Более подробно решения задач по теме рассмотрены в разделе «Дифференциальные уравнения, допускающие понижение порядка».

Линейные однородные и неоднородные дифференциальные уравнения высших порядков с постоянными коэффициентами y ( n ) + f n — 1 · y ( n — 1 ) + . . . + f 1 · y ‘ + f 0 · y = 0 и y ( n ) + f n — 1 · y ( n — 1 ) + . . . + f 1 · y ‘ + f 0 · y = f ( x )

Решение уравнений данного вида предполагает выполнение следующих простых шагов:

  • находим корни характеристического уравнения k n + f n — 1 · k n — 1 + . . . + f 1 · k + f 0 = 0 ;
  • записываем общее решение ЛОДУ y 0 в стандартной форме, а общее решение ЛНДУ представляем суммой y = y 0 + y

— частное решение неоднородного дифференциального уравнения.

Нахождение корней характеристического уравнения подробно описано в разделе «Решение уравнений высших степеней». Для нахождения y

целесообразно использовать метод вариации произвольных постоянных.

Линейному неоднородному ДУ с постоянными коэффициентами y ( 4 ) + y ( 3 ) — 5 y ‘ ‘ + y ‘ — 6 y = x cos x + sin x соответствует линейное однородное ДУ y ( 4 ) + y ( 3 ) — 5 y ‘ ‘ + y ‘ — 6 y = 0 .

Более детальный разбор теории и примеров по теме вы можете найти на странице « Линейные однородные и неоднородные дифференциальные уравнения высших порядков с постоянными коэффициентами».

Линейные однородные и неоднородные дифференциальные уравнения высших порядков y ( n ) + f n — 1 ( x ) · y ( n — 1 ) + . . . + f 1 ( x ) · y ‘ + f 0 ( x ) · y = 0 и y ( n ) + f n — 1 ( x ) · y ( n — 1 ) + . . . + f 1 ( x ) · y ‘ + f 0 ( x ) · y = f ( x )

Найти решение ЛНДУ высших порядков можно благодаря сумме y = y 0 + y

, где y 0 — общее решение соответствующего ЛОДУ, а y

— частное решение неоднородного дифференциального уравнения.

y 0 представляет собой линейную комбинацию линейно независимых функций y 1 , y 2 , . . . , y n , каждая из которых является частным решением ЛОДУ, то есть, обращает равенство y ( n ) + f n — 1 ( x ) · y ( n — 1 ) + . . . + f 1 ( x ) · y ‘ + f 0 ( x ) · y = 0 в тождество. Частные решения y 1 , y 2 , . . . , y n обычно подбираются из известных систем линейно независимых функций. Подобрать их далеко не всегда просто и возможно, в этом и заключается основная проблема.

После того, как мы найдем общее решение ЛОДУ, найти частное решение соответствующего ЛНДУ можно благодаря методу вариации произвольных постоянных. Итак, y = y 0 + y

Получить более подробную информацию по теме можно в разделе «Дифференциальные уравнения высших порядков».

Видео:53. Приведение общего уравнения кривой к каноническому видуСкачать

53. Приведение общего уравнения кривой к каноническому виду

Системы дифференциальных уравнений вида d x d t = a 1 x + b 1 y + c 1 d y d t = a 2 x + b 2 y + c 2

Данная тема подробно разобрана на странице «Системы дифференциальных уравнений». Там же приведены примеры задач с подробных разбором.

Видео:Показательные уравнения. 11 класс.Скачать

Показательные уравнения. 11 класс.

Обыкновенные дифференциальные уравнения

Содержание:

Видео:Как решать уравнение с модулем Уравнение с модулями как решать Как раскрыть модуль в уравненииСкачать

Как решать уравнение с модулем Уравнение с модулями как решать Как раскрыть модуль в уравнении

Обыкновенные дифференциальные уравнения

При решении многих задач математики, техники, экономики и других отраслей науки бывает трудно установить закон, связывающий искомые и известные переменные величины. Но удается установить связь между производными или дифференциалами этих переменных, которая выражается уравнениями или системами уравнений. Такие уравнения называют дифференциальными уравнениями. Термин «дифференциальное уравнение» введен в 1676 году В. Лейбницом.

Мы рассмотрим только уравнения с функциями одной переменной и обычными производными, которые называют обычными дифференциальными уравнениями.

Основные понятия о дифференциальных уравнениях

Определение. Дифференциальным уравнением называется уравнение, которое связывает независимую переменную x, искомую функцию y = f (x) и еепроизводные или дифференциалы разных порядков, то есть уравнение
Приведем уравнение к виду x f x(7.1)

Важно понять, что искомая функция в дифференциальном уравнении входит под знак дифференциала или под знак производной.

Определение. Порядком дифференциального уравнения называется наивысший порядок производной от неизвестной функции, входящей в дифференциальное уравнение.

Так, уравнение y’ – 2 xy 2 + 5 = 0 является дифференциальным уравнением первого порядка, а уравнения y» + 2 y’ – y – sin x = 0 — дифференциальным уравнением второго порядка.

Определение. Решением дифференциального уравнения (7.1) называется такая функция y = φ (x), которая при подстановке в уравнение (7.1) превращает его в тождество.

Например, для дифференциального уравнения
y’- 2 x = 0 (7.2)
решением является функция y = x 2 . Найдем производную y’= 2x и подставим в уравнение, получим: 2x – 2x = 0, 0 ≡ 0.

Следует заметить, что y = x 2 не единственное решение уравнения. Это уравнение имеет бесконечное множество решений, которые можно записать так: y = x 2 + C.

Дифференциальные уравнения первого порядка

Определение. Дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение, которое связывает независимую переменную x, искомую функцию y = f (x) и ее первую производную:
F (x, y, y’) = 0.
(7.3)

Поскольку производную можно записать в виде отношения дифференциалов, то в уравнение производная может не входить, а будут входить дифференциалы неизвестной функции и независимой переменной.

Если уравнение (7.2) решить относительно у’, то оно будет иметь вид:
y’= f (x, y) или Приведем уравнение к виду x f x. (7.4)

Простые примеры показывают, что дифференциальное уравнение может иметь бесконечное множество решений. Это мы видим на примере уравнения (7.2). Легко убедиться также, что дифференциальное уравнение Приведем уравнение к виду x f xимеет решениями функции y = Cx, а дифференциальное уравнение Приведем уравнение к виду x f x— функции Приведем уравнение к виду x f xгде C — произвольное число.

Как видим, в решение указанных дифференциальных уравнений входит произвольное число C. Предоставляя постоянной C различные значения, будем получать различные решения дифференциального уравнения.

Определение. Общим решением дифференциального уравнения (7.3) называется функция
у = φ (х, С), (7.5)
которая зависит от одной произвольной постоянной и удовлетворяет дифференциальное уравнение при произвольном значении C.

Если функция (7.5) выражается неявно, то есть в виде
Ф (х, у, С) = 0, (7.6)
то (7.6) называется общим интегралом дифференциального уравнения.

Определение. Частным решением дифференциального уравнения (7.3) называется такое решение, которое получается из общего решения (7.5) при некотором конкретном значении постоянной C.

Ф (х, у, С0) называется частным интегралом дифференциального уравнения.

На практике при решении конкретных задач часто приходится находить не все решения, а решение, которое удовлетворяет определенным начальным условиям. Одной из таких задач является задача Коши, которая для дифференциального уравнения первого порядка формулируется так: среди всех решений дифференциального уравнения (7.3) найти такое решение y, которое при заданном значении независимой переменной x = x0 равна заданному значению y0 , то есть y (x0) = y0 или Приведем уравнение к виду x f x(7.7)

Условие (7.7) называется начальным условием решения.

Покажем на примере, как найти частное решение дифференциального уравнения, когда известно общее решение и задано начальное условие.

Мы видим, что дифференциальное уравнение Приведем уравнение к виду x f xимеет общее решение y = Cx. Зададим начальное условие Приведем уравнение к виду x f x. Подставим эти значения в общее решение, получим 6 = 2С, откуда С = 3. Следовательно, функция y = 3x удовлетворяет и дифференциальное уравнение, и начальное условие.

Ответ на вопрос о том, при каких условиях уравнение (7.4) имеет
решение, дает теорема Коши.

ТЕОРЕМА (о существовании и единственности решения). Если функция f (x, y) и ее частная производная Приведем уравнение к виду x f x определены и непрерывные в области G, которая содержит точку M0 (x0; y0) , то существует единственное решение y = φ (x) уравнения (7.4), которое удовлетворяет начальному условию: y (x0) = y0.

Теорема Коши дает достаточные условия существования единого решения дифференциального уравнения (7.4). Заметим, что в условии теоремы не требуется существования частной производной Приведем уравнение к виду x f x.

График произвольного частного решения дифференциального уравнения называется интегральной кривой. Общему решению отвечает семья кривых. Так мы проверили, что уравнение Приведем уравнение к виду x f xимеет общее решение y = Cx, то ему соответствует семья прямых,
которые проходят через начало координат (рис. 1).

Уравнение Приведем уравнение к виду x f xимеет общее решение, ему соответствует семья равносторонних гипербол (рис. 2).
Приведем уравнение к виду x f x

Если задано начальное условие Приведем уравнение к виду x f xто это означает, что задана точка M0 (x0;y0), через которую должна проходить интегральная кривая, отвечающая искомому частному решению. Таким образом, отыскание частного решения дифференциального уравнения по заданному начальному условию геометрически означает, что из семьи
интегральных кривых мы выбираем проходящую через точку M0 (x0; y0).

Надо заметить, что нахождение решения дифференциального уравнения часто называют интегрированием уравнения. При этом операцию интегрирования функций называют квадратурой.

Общего метода решения дифференциальных уравнений первого порядка не существует. Рассмотрим некоторые методы решения отдельных типов дифференциальных уравнений.

Дифференциальные уравнения с разделенными переменными

Определение. Уравнение вида
f1 (y) dy = f2 (x) dx,
(7.8)
где f1 (y) и f2 (x) — заданные функции, называется дифференциальным уравнением с разделенными переменными.

В этом уравнении каждая из переменных находится только в той части уравнения, где находится ее дифференциал. Уравнение dy = f (x) dx является частным случаем уравнения (7.8). Чтобы решить уравнение (7.8), надо проинтегрировать обе его части:
Приведем уравнение к виду x f x.

Понятно, что произвольную постоянную С можно записывать в любой части равенства.

Пример 1. Решить дифференциальное уравнение:
Приведем уравнение к виду x f x, удовлетворяющее начальному условию Приведем уравнение к виду x f x

Решение. Проинтегрируем левую и правую части уравнения, причем для удобства потенцирования, произвольную постоянную запишем в виде ln |C| получим:
Приведем уравнение к виду x f x
Приведем уравнение к виду x f x
Приведем уравнение к виду x f x— это общее решение дифференциального уравнения.
Подставляя в общее решение начальное условие, найдем С: 2 = С.
Итак,
Приведем уравнение к виду x f xявляется частным решением данного уравнения.

Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными

Определение. Уравнение вида
f1 (x) f2 (y) + g1 (x) g2 (y) = 0
(7.9)
называется дифференциальным уравнением с разделяющимися переменными.

В этом уравнении переменные еще не разделены, но, поделив обе части уравнения на произведение f2 (y) g1 (x), получим уравнение с разделенными переменными:
Приведем уравнение к виду x f x

Интегрируя это уравнение, запишем
Приведем уравнение к виду x f x.

Получили общий интеграл данного уравнения.

Пример 2. Решить дифференциальное уравнение
x (y + 1) dx – (x 2 + 1) ydy = 0.

Решение. Поделим обе части этого уравнения на (y + 1) (x 2 + 1), после чего получим
Приведем уравнение к виду x f x.

Интегрируя, получим
Приведем уравнение к виду x f x Приведем уравнение к виду x f xПриведем уравнение к виду x f x
Приведем уравнение к виду x f x— общий интеграл дифференциального уравнения.

Пример 3. Найти частное решение дифференциального уравнения (1 + x 2 ) dy + ydx = 0, удовлетворяющее начальному условию y (0) = 1.

Решение. Отделим переменные, поделив уравнение на y ⋅ (1 + x 2 ), и проинтегрируем данное уравнение:
Приведем уравнение к виду x f x

Получили общий интеграл дифференциального уравнения.

Используя начальное условие, найдем произвольную постоянную С:
ln 1 + arctg 0 = C, откуда C = 0.

Найденную постоянную подставим в общий интеграл и отыщем частное решение:
Приведем уравнение к виду x f xоткуда Приведем уравнение к виду x f x

Однородные дифференциальные уравнения

Определение. Функция двух переменных f (x, y) называется однородной n- го измерения, если выполняется условие
Приведем уравнение к виду x f x

Например, f (x, y) = x 2 + y 2 , f (tx, ty) = t 2 f (x 2 + y 2 ) — однородная функция второго измерения.

Определение. Дифференциальное уравнение
y ‘= f (x, y) (7.10)
называется однородным, если функция f (x, y) однородная нулевого измерения.

Покажем, что это уравнение можно свести к уравнению с разделенными переменными.
Рассмотрим функцию f (tx, ty). Сделаем замену Приведем уравнение к виду x f xбудем иметь:
Приведем уравнение к виду x f x
Тогда уравнение (7.10) запишется в виде Приведем уравнение к виду x f x(7.11)
В общем случае переменные в однородном уравнение не разделяются сразу. Но, если ввести вспомогательную неизвестную функцию u = u (x) по формуле
Приведем уравнение к виду x f xили y = xu, (7.12)
то мы сможем превратить однородное уравнение в уравнение с разделенными переменными.

Из формулы (7.12) найдем y’ = u + xu’ и уравнение Приведем уравнение к виду x f xпримет вид: u + xu’ = φ (u),
то есть Приведем уравнение к виду x f x, откуда Приведем уравнение к виду x f x.

После интегрирования получим Приведем уравнение к виду x f x
Отсюда находим выражение для функции u, возвращаемся к переменной y = xu и получим решение однородного уравнения.

Чаще всего не удается найти функцию u явно выраженной, тогда, после интегрирования, в левую часть следует подставить Приведем уравнение к виду x f xвместо u.
В результате получим решение уравнения в неявном виде.

Пример 1. Найти решение однородного уравнения

Приведем уравнение к виду x f x

Решение. Заменой y = xu сведем заданное уравнение к уравнению
Приведем уравнение к виду x f xили Приведем уравнение к виду x f x.

Отделяя переменные, найдем
Приведем уравнение к виду x f xоткуда Приведем уравнение к виду x f xили Приведем уравнение к виду x f x, то есть
Приведем уравнение к виду x f x.
Возвращаясь к переменной y, получим общее решение: Приведем уравнение к виду x f x.

Линейные дифференциальные уравнения

Определение. Линейным дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение, которое содержит искомую функцию и ее производную в первой степени без их произведения:
y’ + P (x) y = Q (x). (7.13)

Здесь P (x), Q (x) — известные функции независимой переменной x. Например, y’ + 2 xy = x 2 .

Если Q (x) = 0, то уравнение (7.13) называется линейным однородным и является уравнением с разделяющимися переменными.

Если Q (x) ≠ 0, то уравнение (7.13) называется линейным неоднородным, которое можно решить несколькими способами.

Рассмотрим метод Бернулли, с помощью которого уравнение (7.13) можно свести к интегрированию двух дифференциальных уравнений первого порядка с разделяющимися переменными.

Решение дифференциального уравнения (7.13) ищем в виде y = u (x) v (x) или y = uv, (7.14)
где u (x), v (x) — неизвестные функции. Одну из этих функций можно взять произвольную, а другая определяется из уравнения (7.13).

Из равенства y = uv найдем производную y’:
y’= u’ ⋅ v + u⋅ v’.

Подставим y и y’ в уравнение (7.13):
u’v + uv’ + P (x) ⋅ u⋅ v = Q (x) или u’v + u (v’ + P (x) ⋅ v) = Q (x).

Выберем функцию v такой, чтобы v’ + P (x) v = 0. (7.15)
Тогда для отыскания функции u получим уравнение:
u’v = Q (x). (7.16)

Сначала найдем v из уравнения (7.15).
Отделяя переменные, имеем Приведем уравнение к виду x f x, откуда
Приведем уравнение к виду x f x

Под неопределенным интегралом здесь будем понимать какую-то одну первообразную от функции P (x), то есть v будет определенной функцией от x.

Зная v, находим u из уравнения (7.16):
Приведем уравнение к виду x f x
откуда Приведем уравнение к виду x f x

Здесь мы уже берем для u все первообразные.

Найденные функции u и v подставляем в (7.14) и получаем общее решение линейного дифференциального уравнения:
Приведем уравнение к виду x f x(7.17)

При решении конкретных примеров проще выполнять эти выкладки, чем применять громоздкую формулу (7.17).

Пример 1. Решить дифференциальное уравнение Приведем уравнение к виду x f x.
Решение. Решение ищем в виде y = uv, тогда y’= u’ ⋅ v + u⋅ v’.
Подставим y и y’ в уравнение: Приведем уравнение к виду x f xили
Приведем уравнение к виду x f x. (7.18)

Выражение, стоящее в скобках, приравниваем к нулю, имеем
Приведем уравнение к виду x f xили Приведем уравнение к виду x f x

Отделим переменные, домножив обе части уравнения на Приведем уравнение к виду x f x, тогда Приведем уравнение к виду x f x.
После интегрирования, получим ln |v| = ln |x| (здесь ограничимся одной первообразной), откуда v = x.
Подставим v = x в уравнение (7.18):
Приведем уравнение к виду x f x

Общее решение запишется:
y = x (x + C) = x 2 + Cx.

Пример 2. Найти частное решение дифференциального уравнения Приведем уравнение к виду x f xкоторый удовлетворяет начальному условию y (0) = 0.

Решение. Заданное уравнение — это линейное неоднородное уравнение первого порядка, решение которого ищем в виде y = u⋅v.
Тогда Приведем уравнение к виду x f x
Приведем уравнение к виду x f x

Подставим v в уравнение и найдем u:
Приведем уравнение к виду x f x

Общее решение дифференциального уравнения будет:
Приведем уравнение к виду x f x

Подставляем начальные условия в найденное решение и находим С:
Приведем уравнение к виду x f x

Из общего решения получаем частное решение
Приведем уравнение к виду x f x.

Дифференциальное уравнение Бернулли

Определение. Уравнения вида
Приведем уравнение к виду x f x(или Приведем уравнение к виду x f x)
называется дифференциальным уравнением Бернулли.

Данное уравнение отличается от уравнения (7.13) только множителем (или ) в правой части. Для того, чтобы права часть данного уравнения была такой, как в (7.13), разделим его левую и праву часть на :
Приведем уравнение к виду x f x

Сделаем замену: Приведем уравнение к виду x f xПриведем уравнение к виду x f x
Домножим левую и правую части полученного уравнения на (n + 1) и, используя замену, получим:
Приведем уравнение к виду x f x
Приведем уравнение к виду x f x

Мы получили линейное дифференциальное уравнение относительно новой переменной Приведем уравнение к виду x f x

Пример 1. Найти общее решение дифференциального уравнения xy’ + y = y 2 ln x.

Решение. Приведем уравнение к виду x f x.
Сделаем замену Приведем уравнение к виду x f xТогда Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Данное уравнение решим, сделав замену z = u (x) ⋅ v (x).
Приведем уравнение к виду x f x

Выбираем функцию v (x) так, чтобы выражение в скобках равнялось нулю, и эта функция была бы частным решением уравнения
Приведем уравнение к виду x f x

Тогда Приведем уравнение к виду x f x.

Проинтегрировав правую часть этого уравнения по частям, получим Приведем уравнение к виду x f x, а при y -1 = z = uv, имеем
Приведем уравнение к виду x f x

Видео:Уравнение касательной в точке. Практическая часть. 1ч. 10 класс.Скачать

Уравнение касательной в точке. Практическая часть. 1ч. 10 класс.

Обыновенное дефференциальное уравнение

Обыкновенным дифференциальным уравнением называется любое соотношение, связывающее независимую переменную Приведем уравнение к виду x f xискомую функцию Приведем уравнение к виду x f xи производные искомой функции Приведем уравнение к виду x f xдо некоторого порядка включительно.

Обыкновенное дифференциальное уравнение может быть приведено к виду

Приведем уравнение к виду x f x

Здесь Приведем уравнение к виду x f x— известная функция, заданная в некоторой области Приведем уравнение к виду x f x

Число Приведем уравнение к виду x f xт. е. наивысший из порядков производных, входящих в (1), называется порядком уравнения.

Обыкновенные дифференциальные уравнения первого порядка, разрешенные относительно производной. уравнения, интегрируемые в квадратурах

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по высшей математике:

Основные понятия и определения

Понятие об уравнении первого порядка, разрешенном относительно производной. В соответствии со сказанным во введении, уравнение первого порядка имеет вид

Приведем уравнение к виду x f x

В этой главе мы будем рассматривать уравнение, разрешенное относительно производной:

Приведем уравнение к виду x f x

Наряду с этим уравнением мы всегда будем рассматривать перевернутое уравнение

Приведем уравнение к виду x f x

используя последнее в окрестности тех точек, в которых Приведем уравнение к виду x f xобращается в бесконечность.

Во многих случаях оказывается целесообразным «место уравнении (2) и (2′) рассматривать одно равносильное им дифференциальное уравнение

Приведем уравнение к виду x f x

Обе переменные Приведем уравнение к виду x f xи Приведем уравнение к виду x f xвходят в это уравнение уже равноправно, и любую из них мы можем принять за независимую переменную.

Умножая обе части уравнения (3) на некоторую функцию Приведем уравнение к виду x f xполучаем более симметричное уравнение:

Приведем уравнение к виду x f x

где Приведем уравнение к виду x f xОбратно, всякое уравнение вида (4) можно переписать в виде уравнений (2) или (2′), разрешая его относительно Приведем уравнение к виду x f xили Приведем уравнение к виду x f xтак что уравнение (4) равносильно следующим двум уравнениям:

Приведем уравнение к виду x f x

Иногда уравнение записывают *з так называемой симметрической форме:

Приведем уравнение к виду x f x

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Решение уравнения. Предположим, что правая часть уравнения (2), Приведем уравнение к виду x f xопределена на некотором подмножестве Приведем уравнение к виду x f xвещественной плоскости Приведем уравнение к виду x f xФункцию Приведем уравнение к виду x f xопределенную в интервале Приведем уравнение к виду x f xмы будем называть решением уравнения (2) в этом интервале*, если:

  1. Существует производная Приведем уравнение к виду x f xдля всех значений Приведем уравнение к виду x f xиз интервала Приведем уравнение к виду x f x(Отсюда следует, что решение Приведем уравнение к виду x f xпредставляет собою функцию, непрерывную ею всей области определения).
  2. Функция Приведем уравнение к виду x f xобращает уравнение (2) в тождество: Приведем уравнение к виду x f x

справедливое для всех значений Приведем уравнение к виду x f xиз интервала Приведем уравнение к виду x f xЭто означает, что при любом Приведем уравнение к виду x f xиз интервала Приведем уравнение к виду x f xточка Приведем уравнение к виду x f xпринадлежит множеству Приведем уравнение к виду x f xи Приведем уравнение к виду x f x

Так как наряду с уравнением (2) рассматривается перевернутое уравнение (2′), то и решения Приведем уравнение к виду x f xэтого перевернутого уравнения естественно присоединять к решениям уравнения (2).

В этом смысле в дальнейшем мы будем для краткости называть решения уравнения (2′) решениями уравнения (2).

Примеры с решением

Пример 1.

Приведем уравнение к виду x f x

является решением уравнения

Приведем уравнение к виду x f x

в интервале Приведем уравнение к виду x f xибо она определена и дифференцируема в эгои интервале, и, подставляя се в уравнение (9), получаем тождество:

Приведем уравнение к виду x f x

справедливое при всех значениях Приведем уравнение к виду x f x

Пример 2.

Функция Приведем уравнение к виду x f xесть решение равнения Приведем уравнение к виду x f xв интервале Приведем уравнение к виду x f x

Пример 3.

Приведем уравнение к виду x f x

является решением уравнения Приведем уравнение к виду x f x

в интервале Приведем уравнение к виду x f x

Иногда функцию Приведем уравнение к виду x f xобращающую уравнение (2) в тождество (7), т. е. решение уравнения (2), называют интегралом этого уравнения. Мы будем употреблять термин интеграл только в смысле п. 16.

Видео:Вы умеете решать квадратные уравнения?Скачать

Вы умеете решать квадратные уравнения?

Системы обыкновенных дифференциальных уравнений

При решении многих задач нужно найти функции y1 = y1 (x), y2 = y2 (x), . yn = yn (x), которые удовлетворяют системе дифференциальных уравнений, содержащих независимую переменную x , искомые y1 , y2 , . yn и их производные.

Пример. Пусть материальная точка массы m имеет криволинейную траекторию движения в пространстве. Определить положение точки в любой момент времени t, когда на нее действует сила Приведем уравнение к виду x f x.

Положение точки в любой момент времени t определяется ее координатами x, y, z; следовательно, x, y, z являются функциями от t. Проекциями вектора скорости точки на оси координат будут производные x’ , y’ , z’.
Положим, что силаПриведем уравнение к виду x f x, а соответственно и ее проекции Fx, Fy, Fz зависят от времени t, от положения x, y, z точки и от скорости движения точки, то есть от Приведем уравнение к виду x f x. Искомыми неизвестными функциями в этой задаче будут три функции x = x (t), y = y (t), z = z (t). Эти
функции определяются из уравнений динамики:
Приведем уравнение к виду x f x

Мы получили систему трех дифференциальных уравнений второго порядка. В случае движения, когда траектория является плоской кривой, лежит, например, в плоскости Оxy, получим систему двух уравнений для определения неизвестных функций x (t) и y (t):
Приведем уравнение к виду x f x

Рассмотрим простейшие системы дифференциальных уравнений.

Системы дифференциальных уравнений первого порядка

Система n уравнений первого порядка с n неизвестными функциями имеет вид:
Приведем уравнение к виду x f x(7.38)

где x — независимая переменная, y1, y2, . yn — неизвестные функции.

Если в левой части уравнений системы стоят производные первого порядка, а правые части уравнений вовсе не содержат производных, то такая система уравнений называется нормальной.

Решением системы называется совокупность функций y1, y2, . yn, которые превращают каждое уравнение системы в тождество относительно x.

Задача Коши для системы (7.38) состоит в нахождении функций y1, y2, . yn , удовлетворяющих систему (7.38) и заданные начальные условия:
Приведем уравнение к виду x f x(7.39)

Интегрирование системы (7.38) делают следующим образом. Дифференцируем по x первое уравнение системы (7.38):
Приведем уравнение к виду x f x
Заменим производные
Приведем уравнение к виду x f xих выражениями f1, f2, . fn из уравнений системы (7.38), получим уравнение
Приведем уравнение к виду x f x
Дифференцируем полученное уравнение и, подставив в это равенство значения производных из системы (7.38), найдем
Приведем уравнение к виду x f x
Продолжая дальше таким образом, получим
Приведем уравнение к виду x f x
В результате получаем следующую систему уравнений:
Приведем уравнение к виду x f x(7.40)

Из первых (n-1) уравнений определим y2, y3, . yn:
Приведем уравнение к виду x f x(7.41)

и подставим их значения в последнее уравнение системы (7.40) для определения y1: Приведем уравнение к виду x f x

Продифференцируем это выражение (n-1) раз, определим
Приведем уравнение к виду x f xкак функции от x, C1, C2, . Cn. Подставим эти функции в (7.41), найдем
Приведем уравнение к виду x f x(7.43)

Для того, чтобы полученное решение удовлетворяло заданным начальным условиям, остается только найти значение произвольных постоянных из уравнений (7.42) и (7.43) так, как мы это делали для одного дифференциального уравнения.

Пример 1. Проинтегрировать систему
Приведем уравнение к виду x f x
когда заданы начальные условия Приведем уравнение к виду x f x
Решение. Дифференцируем по x первое уравнение, имеем:
Приведем уравнение к виду x f x. Подставляем сюда значение Приведем уравнение к виду x f xи Приведем уравнение к виду x f xиз системы, получим Приведем уравнение к виду x f x
Приведем уравнение к виду x f x

Из первого уравнения системы найдем Приведем уравнение к виду x f xи подставим в полученное нами уравнение:
Приведем уравнение к виду x f xили Приведем уравнение к виду x f x

Общим решением этого уравнения является
Приведем уравнение к виду x f x (*)
и тогда Приведем уравнение к виду x f x (**)

Подберем постоянные С1 и С2 так, чтобы выполнялись начальные условия. На основании (*) и (**) имеем:
1 = С1 – 9; 0 = С2 – 2С1 + 14, откуда С1 = 10, С2 = 6.
Таким образом, решением системы, которое удовлетворяет заданным начальным условиям, будет:
Приведем уравнение к виду x f x

Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Система дифференциальных уравнений:
Приведем уравнение к виду x f x(7.44)
где коэффициенты aij — постоянные числа, t — независимая переменная, x1 (t), . xn (t)
неизвестные функции, называется системой линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

Эту систему можно решать путем сведения к одному уравнению n-го порядка, как это было показано выше. Но эту систему можно решить и другим способом. Покажем, как это делается.

Будем искать решение системы (7.44) в виде:
Приведем уравнение к виду x f x(7.45)

Надо определить постоянные α1, α2, . αn и k так, чтобы функции (7.45) удовлетворяли систему (7.44). Подставим функции (7.45) в систему (7.44):
Приведем уравнение к виду x f x

Сократим на e kt и преобразуем систему, сведя ее к такой системе:
Приведем уравнение к виду x f x(7.46)

Это система линейных алгебраических уравнений относительно α1, α2, . αn. Составим определитель системы:
Приведем уравнение к виду x f x

Мы получим нетривиальные (ненулевые) решения (7.45) только при таких k, при которых определитель превратится в ноль. Получаем уравнение n-го порядка для определения k:
Приведем уравнение к виду x f x

Это уравнение называется характеристическим уравнением для системы (7.44).

Рассмотрим отдельные случаи на примерах:

1) Корни характеристического уравнения действительны и различны. Решение системы записывается в виде:
Приведем уравнение к виду x f x

Пример 2. Найти общее решение системы уравнений:
Приведем уравнение к виду x f x

Решение. Составим характеристическое уравнение:
Приведем уравнение к виду x f xили k 2 – 5k + 4 = 0, корни которого k1 = 1, k2 = 4.

Решение системы ищем в виде
Приведем уравнение к виду x f x

Составим систему (7.46) для корня k1 и найдем Приведем уравнение к виду x f xи Приведем уравнение к виду x f x:
Приведем уравнение к виду x f xили Приведем уравнение к виду x f x

Откуда Приведем уравнение к виду x f xПоложив Приведем уравнение к виду x f xполучим Приведем уравнение к виду x f x
Итак, мы получили решение системы:
Приведем уравнение к виду x f x

Далее составляем систему (7.46) для k = 4:
Приведем уравнение к виду x f x

Откуда Приведем уравнение к виду x f x
Получим второй решение системы: Приведем уравнение к виду x f x
Общее решение системы будет:
Приведем уравнение к виду x f x

2) Корни характеристического уравнения различны, но среди них есть комплексные:

k1 = α + iβ, k2 = α – iβ. Этим корням будут отвечать решения:

Приведем уравнение к виду x f x(7.47)

Приведем уравнение к виду x f x(7.48)

Можно доказать также, что истинные и мнимые части комплексного решения также будут решениями. Таким образом, получим два частных решения:
Приведем уравнение к виду x f x(7.49)
где Приведем уравнение к виду x f x— действительные числа, которые определяются через Приведем уравнение к виду x f x.

Соответствующие комбинации функций (7.49) войдут в общий решение системы.

Пример 3. Найти общее решение системы
Приведем уравнение к виду x f x

Решение. Составляем характеристическое уравнение:
Приведем уравнение к виду x f xили k 2 + 12k + 37 = 0, корни которого k1 = –6 + i, k2 = –6 – i .

Подставляем поочередно k1, k2 в систему (7.46), найдем
Приведем уравнение к виду x f x

Запишем уравнение (7.47) и (7.48) для наших данных
Приведем уравнение к виду x f x

Перепишем эти решения в таком виде:

Приведем уравнение к виду x f x

За частные решения можно взять отдельно действительные и отдельно мнимые части:
Приведем уравнение к виду x f x

Общим решением системы будет

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔ Приведем уравнение к виду x f xПриведем уравнение к виду x f x

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Видео:Решите уравнение ➜ e^x=x ➜ Как решать такое уравнение?Скачать

Решите уравнение ➜ e^x=x ➜ Как решать такое уравнение?

Примеры решения дифференциальных уравнений с ответами

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

Видео:Определитель 5 порядка приводим к треугольному видуСкачать

Определитель 5 порядка приводим к треугольному виду

Алгоритм решения дифференциальных уравнений

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

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

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

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

Видео:Решите уравнение ★ e^x=x^eСкачать

Решите уравнение ★ e^x=x^e

Примеры решения дифференциальных уравнений

Задание

Решить дифференциальное уравнение xy’=y.

Решение

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

Приведем уравнение к виду x f x

переписываем дифференциальное уравнение, получаем

Приведем уравнение к виду x f x

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

Приведем уравнение к виду x f x

Далее интегрируем полученное уравнение:

Приведем уравнение к виду x f x

В данном случае интегралы берём из таблицы:

Приведем уравнение к виду x f x

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

Приведем уравнение к виду x f x

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

Ответ

Задание

Найти частное решение дифференциального уравнения

Приведем уравнение к виду x f x

Решение

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

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

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

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

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Если – это константа, то

Приведем уравнение к виду x f x0]» title=»Rendered by QuickLaTeX.com» />

– тоже некоторая константа, заменим её буквой С:

Приведем уравнение к виду x f x

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

Получаем общее решение:

Приведем уравнение к виду x f x

Ответ

Приведем уравнение к виду x f x

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Приведем уравнение к виду x f x

Решение

В первую очередь необходимо переписать производную в необходимом виде:

Приведем уравнение к виду x f x

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

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

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

Приведем уравнение к виду x f x

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

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

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

Далее упрощаем общий интеграл:

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

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

Приведем уравнение к виду x f x

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

Ответ

Приведем уравнение к виду x f x

Задание

Найти частное решение дифференциального уравнения

Приведем уравнение к виду x f x

удовлетворяющее начальному условию y(0)=ln2.

Решение

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

Начинаем разделять переменные и интегрировать уравнение:

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

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

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Получаем общее решение:

Приведем уравнение к виду x f x

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

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

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Подставляем найденное значение константы C=1 в общее решение.

Ответ

Приведем уравнение к виду x f x

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Приведем уравнение к виду x f x

Решение

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

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

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

Ответ

Приведем уравнение к виду x f x

Задание

Найти частное решение дифференциального уравнения

Приведем уравнение к виду x f x

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

Решение

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

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

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

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

можно выразить функцию в явном виде.

Приведем уравнение к виду x f x

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

Приведем уравнение к виду x f x

Подставляем найденное значение константы C=1 в общее решение.

Ответ

Приведем уравнение к виду x f x

Проверка

Необходимо проверить, выполняется ли начальное условие:

Приведем уравнение к виду x f x

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

Далее проводим следующую проверку: удовлетворяет ли вообще частное решение

Приведем уравнение к виду x f x

дифференциальному уравнению. Для этого находим производную:

Приведем уравнение к виду x f x

Подставим полученное частное решение

Приведем уравнение к виду x f x

и найденную производную в исходное уравнение

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Получено верное равенство, значит, решение найдено правильно.

Задание

Найти общий интеграл уравнения

Приведем уравнение к виду x f x

Решение

Данное уравнение допускает разделение переменных. Разделяем переменные и интегрируем:

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Ответ

Приведем уравнение к виду x f x

Задание

Найти частное решение ДУ.

Приведем уравнение к виду x f x

Решение

Данное ДУ допускает разделение переменных. Разделяем переменные:

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

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

Приведем уравнение к виду x f x

Подставляем в общее решение

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Ответ

Приведем уравнение к виду x f x

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Приведем уравнение к виду x f x

Решение

Данное уравнение допускает разделение переменных. Разделяем переменные и интегрируем:

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Левую часть интегрируем по частям:

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

В интеграле правой части проведем замену:

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

(здесь дробь раскладывается методом неопределенных коэффициентов)

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Ответ

Приведем уравнение к виду x f x

Задание

Решить дифференциальное уравнение

Приведем уравнение к виду x f x

Решение

Данное уравнение допускает разделение переменных.

Разделяем переменные и интегрируем:

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Приведем уравнение к виду x f x

Методом неопределенных коэффициентов разложим подынтегральную функцию в сумму элементарных дробей:

💥 Видео

Функциональные уравнения ➜ Найдите f(x), если 2f(x+2)+f(4-x)=2x+5Скачать

Функциональные уравнения ➜ Найдите f(x), если 2f(x+2)+f(4-x)=2x+5

Что делать, если икс в степени икс? Быстрое экспоненциальное уравнениеСкачать

Что делать, если икс в степени икс? Быстрое экспоненциальное уравнение

Решение простых уравнений. Что значит решить уравнение? Как проверить решение уравнения?Скачать

Решение простых уравнений. Что значит решить уравнение? Как проверить решение уравнения?

100 тренировочных задач #121 ➜ Решите уравнение ➜ f(f(f(f(x))))=2x^2, если f(x)=(x+1)/(1-x)Скачать

100 тренировочных задач #121 ➜ Решите уравнение ➜ f(f(f(f(x))))=2x^2, если f(x)=(x+1)/(1-x)

Показательное уравнение из первой части ЕГЭ!Скачать

Показательное уравнение из первой части ЕГЭ!

Метод простой итерации Пример РешенияСкачать

Метод простой итерации Пример Решения

Квадратное уравнение. Практическая часть. 2ч. 8 класс.Скачать

Квадратное уравнение. Практическая часть. 2ч. 8 класс.

5.1 Численные методы решения уравнений F(x)=0Скачать

5.1 Численные методы решения уравнений F(x)=0

Метод простых итераций пример решения нелинейных уравненийСкачать

Метод простых итераций пример решения нелинейных уравнений
Поделиться или сохранить к себе: