Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок.

Одним з методів інтегрування диференціальних рівнянь другого порядку є метод пониження порядку. Суть методу полягає в тому, що за допомогою заміни змінною (підстановки) дане диференціальне рівняння зводиться до рівняння першого порядку.

Розглянемо три типи рівнянь, які допускають зниження порядку:

а) Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru ; б) Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru ; в) Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Рівняння а) розв’язано відносно похідної другого порядку і не містить шуканої функції Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru та її похідної Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Рівняння б) не містить явно шуканої функції Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Рівняння в) не містить явно шуканої змінної Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Для рівняння а) порядок можна понизити безпосередньо шляхом послідовного інтегрування рівняння. Тоді інтегруємо і одержуємо

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Далі інтегруємо отримане рівняння відносно змінної Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru і знаходимо Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru – загальний розв’язок даного диференціального рівняння.

Приклад 1.Розв’язати рівняння Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru

Інтегруємо послідовно два рази дане рівняння і отримаємо:

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru ;

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru ;

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru – загальний розв’язок даного рівняння.

Приклад 2.Розв’язати рівняння Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru

Інтегруємо послідовно два рази дане рівняння і отримаємо:

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru ;

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru ;

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru – загальний розв’язок даного рівняння.

Для розв’язування рівняння б) Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru треба ввести допоміжну змінну Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru , Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru . Тоді Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru і рівняння має вигляд Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru , Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru . Замінимо Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru на Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru і отримаємо рівняння Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru . Для знаходження Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru достатньо про інтегрувати останню рівність.

Загальний розв’язок рівняння буде мати вигляд Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Приклад 3.Розв’язати рівняння Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Нехай Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru , Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru , тоді Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru це рівняння з відокремленим змінними Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru . Інтегруємо його і отримаємо Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru . Повернемося заміни і одержимо Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru , інтегруємо Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru – загальний розв’язок даного рівняння.

Для розв’язування рівняння в) Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru треба ввести допоміжну функцію

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Враховуючи, що Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru залежить від Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru і використовуючи правило диференціювання складної функції, одержимо, що

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Тому рівняння в) прийме вигляд Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru , тобто буде рівнянням першого порядку відносно допоміжної функції Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Після розв’язування цього рівняння треба повернутися до шуканої функції Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru шляхом підстановки замість Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru її значення Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru і розв’язати одержане диференціальне рівняння першого порядку відносно Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Приклад 4.Знайти загальний розв’язок рівняння

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Задане диференціальне рівняння не другого порядку, яке явно не містить аргументу Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru . Тому використаємо допоміжну функцію.

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru та Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Після підстановки Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru та Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru в задане диференціальне рівняння одержимо диференціальне першого порядку

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru ;

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru – рівняння з відокремленими змінними, інтегруємо

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru ;

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Підставимо замість Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru її значення Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru і одержимо диференціальне першого порядку відносно шуканої функції Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru .

Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru , інтегруємо і маємо Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru ; Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru – довільні сталі.

Звідси, Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок. - student2.ru – загальний розв’язок рівняння.

Наши рекомендации