Дифференциальные уравнения 1 порядка

Введение

При изучении некоторых явлений часто возникает ситуация, когда процесс не удаётся описать с помощью уравнения y=f(x) или F(x;y)=0. Помимо переменной х и неизвестной функции , в уравнение входит производная этой функции.

Определение:Уравнение, связывающее переменную х, неизвестную функцию y(x) и её производные называется дифференциальным уравнением. В общем виде дифференциальное уравнение выглядит так:

F(x;y(x); ; ;...;y⁽ⁿ⁾)=0

Определение:Порядком дифференциального уравнения называется порядок входящей в него старшей производной.

– дифференциальное уравнение 1 порядка

– дифференциальное уравнение 3 порядка

Определение:Решением дифференциального уравнения является функция, которая при подстановке в уравнение обращает его в тождество.

Дифференциальные уравнения 1 порядка

Определение: Уравнение вида =f(x;y) или F(x;y; )=0 называется дифференциальным уравнением 1 порядка.

Определение:Общим решением дифференциального уравнения 1 порядка называется функция y=γ(x;c), где (с –const), которая при подстановке в уравнение обращает его в тождество. Геометрически на плоскости общим решением соответствует семейство интегральных кривых, зависящих от параметра с.

y(x0)=y0

Определение:Интегральная кривая, проходящая через точку плоскости с координатами (х₀;y₀) соответствует частному решению дифференциального уравнения, удовлетворяющего начальному условию:

Примеры:

Теорема о существовании единственности решения дифференциального уравнения 1 порядка

Дано дифференциальное уравнение 1 порядка и функция f(x;y) непрерывна вместе с частными производными в некоторой области D плоскости XOY, тогда через точку М₀(х₀;y₀) D проходит единственная кривая соответствующая частному решению дифференциального уравнения соответствующему начальному условию y(x₀)=y₀

Через точку плоскости с данными координатами проходит 1 интегральная кривая.

Если не удаётся получить общее решение дифференциального уравнения 1 порядка в явном виде, т.е , то его можно получить в неявном виде:

F(x; y; c) =0 – неявный вид

Общее решение в таком виде называется общим интегралом дифференциального уравнения.

По отношению к дифференциальному уравнению 1 порядка ставится 2 задачи:

1)Найти общее решение (общий интеграл)

2)Найти частное решение (частный интеграл) удовлетворяющее заданному начальному условию. Эту задачу называют задачей Коши для дифференциального уравнения.

Уравнения Бернулли

, где ;1

Решаются такие уравнения так же как и линейные

Замена

Явно

- дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными.

выразим явно u и найдём общее решение

Примеры:

1)

Теорема Коши.

Если функция в (*) непрерывна вместе с частными производными:

в области содержащей значения

, то существует единственное решение дифференциального уравнения удовлетворяющее начальным условиям:

Замечание: для дифференциальных уравнений 2 порядка

начальные условия имеют вид:

Решить дифференциальное уравнение порядка n означает:

1)Найти общее решение (общий интеграл)

2)Найти частное решение (частный интеграл), удовлетворяющее заданным условиям.

Определение:Общим решением дифференциального уравнения 2 порядка

является функция , такая что:

1) при любых значениях с₁ и с₂ эта функция – решение.

2) каковы бы ни были начальные условия на области, в которой выполняется теорема Коши всегда можно подобрать значения с₁ и с₂ удовлетворяющие начальным условиям.

Определение:Частным решением дифференциального уравнения 2 порядка является решение, при конкретных значениях с₁ и с₂.

Замечание: общее решение дифференциального уравнения 2 порядка может быть получено в неявном виде:

Линейные неоднородные ДУ

Это уравнения вида:

Теорема об общем решении ДУ:Общее решение ДУ(*) имеет вид:

, где - общее решение соответствующего однородного уравнения.

Доказательство: подставим в

раскроем скобки и перегруппируемся:

(верно)

Если даны н.у

нужно показать, что все константы находятся однозначно

, где ФСР

Продифференцируем нужное количество раз и подставим н.у

получим систему n-линейных уравнений с n неизвестными . Определитель этой системы

- определитель Вронского системы функций .

Т.к - ФСР линейная система имеет единственное решение и все константы находятся однозначно.

Конец доказательства.

Замечание:Общее решение соответствующего однородного уравнения

- линейная комбинация ФСР – известно

Основная трудность нахождения y_ч – решения неоднородного уравнения.

Метод вариации

Рассмотрим ДУ:

Где правая часть f(x) произвольного вида (необязательно специального).

Общее решение соответствующего однородного уравнения:

, где и - произвольные const, - ФСР.

Будем варьировать и и считать, что и зависит от х. Будем искать общее решение неоднородного уравнения (исходного) в виде:

(*)

объединим и в систему

- эта система для нахождения и имеет единственное решение, т.к определитель системы ,

для системы 2-х ЛНЗ надежнее решать систему по формулам Крамера

, где

, где

решая систему получим и , проинтегрируем полученные функции по переменной х.

- проинтегрируем по х

, где А и В – константы интегрирования

Таким образом общее решение неоднородного уравнения:

Пример:

1)

РАЗДЕЛ: «Ряды»

Числовые ряды

Определение:Рассмотрим бесконечную числовую последовательность:

числовым рядом называется выражение , где – общий член ряда.

Пример:

-знакоположительный ряд

-знакочередующийся ряд

Последовательность , где ; ; - последовательность частичных сумм ряда.

Каждая частичная сумма содержит конечное число слагаемых.

Числовой ряд называется сходящимся, если существует конечный

, то ряд называется расходящимся и суммы S не имеют.

1)Рассмотрим ряд из членов геометрической прогрессии.

, где n – частичная сумма ряда - сумма n первых членов геометрической прогрессии.

Рассмотрим 3 случая:

1) геометрическая прогрессия убывающая.

сходится и имеет сумму

2)

3)

= не существует – ряд расходится.

Вывод: ряд из членов геометрической прогрессии сходится если и расходится

Элементарные свойства рядов

1) Если (1) сходится и имеет сумму S, то (2) тоже сходится, и имеет сумму CS, где С-const.

Доказательство:Пусть , n– ая частичная сумма 1 ряда.

, n–ая частичная сумма 2 ряда.

Т.к 1 ряд сходится, то .

Рассмотрим (2) ряд сходится.

Конец доказательства.

2) Если (1) сходится с суммой S₁, и (2) сходится с суммой S₂.

тоже сходится с суммой .

Доказательство:

Обозначим - n – частичная сумма 1 ряда.

- n – частичная сумма 2 ряда.

Рассмотрим n-ую частичную сумму ряда

и сумма .

Конец доказательства.

3) Любой ряд может быть представлен в виде:

, где - n – частичная сумма

- n – остаток ряда.

n – остаток ряда тоже является рядом.

Если , то и его остаток тоже сходится.

Доказательство: доказательство этого факта следует из того, что сумма ряда и сумма его остатка отличаются друг от друга на конечное число cлагаемых.

Конец доказательства.

Следствие: на сходимость ряда не влияет отбрасывание или приписывание в начало ряда конечного числа членов, например: 1+3+9+27+…

Дописывание : 1/9+1/3+1+3+9+27+.. отбрасывание: 1+3+5+7+9+11

4)Если сходится с суммой S .

Общий вывод:на практике необязательно выяснять сходимость ряда по определению (вычисляя сумму S). Достаточно просто знать сходится этот ряд или расходится, поэтому, основное место в теории рядов занимают теоремы – признаки сходимости, которые позволяют исследовать ряд на сходимость, не вычисляя его суммы.

Признаки сходимости

Необходимый признак сходимости:

Если сходится, то общий член

Доказательство: Пусть - n – частичная сумма.

- число.

При , тоже и - n-1 – частичная сумма.

Она имеет предел .

Т.к

конец доказательства.

Необходимый признак сходимости неудобен на практике, т.к по поведению общего члена U_n на бесконечности нельзя судить о сходимости ряда.

На практике удобно пользоваться достаточным признаком расходимости ряда:

Если не стремится к 0 при

Примеры:

1)

2)

Радикальный признак Коши.

Дан ряд с положительными членами и

Если - сходиться

Если - расходиться

Если - вопрос о сходимости не решен

Доказательство:

по определению , начиная с которого

1) Пусть С<1 выберем настолько малым, чтобы , тогда из правой части < , ряд , где q<1 сходится как ряд из членов геометрической прогрессии, со знаменателем <1, тогда исходный ряд сходится по I признаку сравнения, т.к его члены меньше членов сходящегося ряда.

2) Пусть С>1 выберем настолько малым, чтобы >1 из левой части > ; (q>1) расходится, как ряд из членов геометрической прогрессии, расходится по I признаку сравнения, т.к его члены больше членов сходящегося ряда.

3)С=1

Возьмем 2 обобщенно гармонических ряда – расходится (p=1) и -сходится (p=2>1) и покажем, что С=1.

Таким образом при С=1 ряд может как сходится так и расходится.

Конец доказательства.

Примеры:

1)

2)

3)

Интегральный признак Коши.

Дан ряд с положительными членами , что ( ) и функция f(x) – положительная и убывающая, связанная с рядом равенством f(n)= . Тогда несобственный интеграл и сходится и расходится одновременно.

Доказательство:

f(n)=U_n

_n

S ступенчатой фигуры над рядом (f(x))

- n частичная сумма ряда.

S ступенчатой фигуры под графиком функции f(x)

- n+1 частичная сумма ряда.

очевидно неравенство

Пусть несобственный интеграл сходится

Из левой части <числа - ограничена сверху числом - сходится.

Пусть расходится из правой части (*) неограничен ряд расходится.

Конец доказательства.

Докажем, с помощью интегрального признака Коши, что обобщенно-гармонический ряд:

свяжем с эти рядом несобственный интеграл

(доказано в несобственном интеграле) исходный несобственный интеграл сходится или расходится одновременно.

Примеры:

1)

2)

Функциональные ряды

Определение: , где - функции переменной х называется функциональным рядом.

При некоторых значениях х функциональный ряд сходится, при других значениях х – расходится.

Определение:Множество значений переменной х, при которых функциональный ряд - сходится, называется областью сходимости функционального ряда. Задача нахождения области сходимости функционального ряда является весьма трудной, хотя для некоторых рядов область сходимости найти легко.

Пример:

1)

2)

Степенные ряды

Определение:Степенным рядом называется ряд вида , где - коэффициент степенного ряда, зависит от n и не зависит от х.

Степенной ряд является частным случаем функционального ряда, поэтому естественно поставить вопрос об области сходимости степенного ряда и его равномерной сходимости. Ответ на вопрос какой вид имеет область сходимости степенного ряда дает теорема Абеля.

Теорема Абеля:

Если сходится в точке он сходится во всех точках, удовлетворяющих неравенству . Если расходится в точке он расходится во всех точках, удовлетворяющих неравенству .

Доказательство:

Пусть сходится в точке будет сходится ряд по необходимому признаку сходимости числовая последовательность - ограничена, т.е существует число M>0, что сразу для всех n.

Возьмем любое х удовл. и рассмотрим из абсолютных величин.

Оценим общий член этого ряда:

Ряд из членов геометрической прогрессии со знаменателем сходится исходный тоже сходится по I признаку сравнения, т.к его члены меньше членов сходящегося ряда сходится абсолютно.

Пусть расходится в точке .

Возьмем любое х удовл. , нужно доказать, что расходится при любом х, удовлетворяющем .

Предположим противное: - сходится по 1 части доказательства он будет сходится в точке .

Полученное противоречие доказывает теорему.

Конец доказательства.

Из теоремы Абеля что если степенной сходится в он сходится в точке удовлетворяющей неравенству :

_{сходится расходится}

^{расходится} . .

⁰

Если расходится в точке , тогда он расходится

Вывод:существует интервал с центром в точке 0, радиусом R, внутри которого степенной ряд сходится, и вне которого расходится. Такой интервал называется интервалом сходимости степенного ряда, а R – радиусом сходимости степенного ряда. Укажем метод нахождения интервала сходимости.

Ряды Тейлора

На I курсе рассматривалась формула Тейлора для функции f(x) n+1 раз дифференцируемая в окрестности точки .

где

Если f(x) любое число раз дифференцируема в окрестности точки переходя к пределу в формуле Тейлора получим:

ряд стоящий в правой части равенства называется рядом Тейлора для функции f(x) по степеням , а сама формула называется разложением функции f(x) в ряд Тейлора.

Формально ряд Тейлора может быть получен для любой функции, но сходится к этой функции он будет только тогда, когда

Если этот предел , то ряд либо расходится, либо сходится к совсем другой функции.

Ряды Маклорена

Если в ряде Тейлора , то получим ряд Маклорена по степеням х.

Остаточный член

Получим разложение некоторых элементарных функций в ряд Маклорена и найдём интервалы сходимости этих рядов.

1)

Интервал сходимости этого ряда найдем непосредственно по признаку Даламбера.

Интервал сходимости

При любом х ряд сходится по признаку Даламбера.

- интервал сходимости.

2)

т.к семейство производных любого порядка равномерно ограничено при интервал сходимости

3)

- интервал сходимости.

4) Биномиальное разложение

- интервал сходимости.

5) f(x)=ln(1+x)

Воспользуемся предыдущим биномиальным разложением:

проинтегрируем почленно на отрезке

снимем модуль, т.к 1+х>0

- можно показать.

6) f(x)=arctgx

воспользуемся биномиальным разложением и заменим

проинтегрируем на

Введение

При изучении некоторых явлений часто возникает ситуация, когда процесс не удаётся описать с помощью уравнения y=f(x) или F(x;y)=0. Помимо переменной х и неизвестной функции , в уравнение входит производная этой функции.

Определение:Уравнение, связывающее переменную х, неизвестную функцию y(x) и её производные называется дифференциальным уравнением. В общем виде дифференциальное уравнение выглядит так:

F(x;y(x); ; ;...;y⁽ⁿ⁾)=0

Определение:Порядком дифференциального уравнения называется порядок входящей в него старшей производной.

– дифференциальное уравнение 1 порядка

– дифференциальное уравнение 3 порядка

Определение:Решением дифференциального уравнения является функция, которая при подстановке в уравнение обращает его в тождество.

Дифференциальные уравнения 1 порядка

Определение: Уравнение вида =f(x;y) или F(x;y; )=0 называется дифференциальным уравнением 1 порядка.

Определение:Общим решением дифференциального уравнения 1 порядка называется функция y=γ(x;c), где (с –const), которая при подстановке в уравнение обращает его в тождество. Геометрически на плоскости общим решением соответствует семейство интегральных кривых, зависящих от параметра с.

y(x0)=y0

Определение:Интегральная кривая, проходящая через точку плоскости с координатами (х₀;y₀) соответствует частному решению дифференциального уравнения, удовлетворяющего начальному условию:

Примеры: