Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения.

1. Равноускоренное движение. Пусть в начальный момент времени t=0 материальная точка имеет начальное положение S(0)=0, начальную скорость V(0)=V0 и далее движется прямолинейно с постоянным ускорением a(t)=a. Если S(t) и V(t) – соответственно путь, пройденный точкой за время t, и ее скорость в момент времени t, то S′(t)=V(t) и V′(t)=a(t)=a. Т.е., ф-ция перемещения S(t) явл-ся решением диф.уравнения S′′(t)=a. Найдем решение, интегрируя уравнение дважды.

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

2. Уравнение движения. Пусть материальная точка массы m движется прямолинейно под действием переменной силы F(t). Тогда в силу второго закона Ньютона Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . Поскольку a(t)=S′′(t), то ф-ция перемещения S(t) явл-ся решением диф.уравнения Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . Это диф. уравнение называют уравнением движения. Например, если рассматривать свободное падение материальной точки в поле тяготения Земли, то действующая на точку сила сводится к силе тяжести F(t)=P=mg и уравнение движения имеет вид S′′(t)=g. Если полагать, что сила сопротивления воздушной среды пропорциональна скорости движения Fc(t)=kV(t), то суммарная сила, действующая на точку, равна F(t)=mg-Fc(t)=mg−kV(t). В этом случае уравнение движения имеет вид Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . Его решением (для V0=0) явл-ся ф-ция

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Скорость и ускорение такого движения изменяются так

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

3. Геометрические задачи. Пусть требуется найти линию, проходящую ч/з точку А(1,2) и обладающую следующим св-вом: для любой ее касательной отрезок этой касательной, заключенный м/у осями системы координат, в точке касания делится пополам. Обозначим ч/з y(x) уравнение искомой линии и пусть M(x0,y0) - ее произвольная фиксированная точка. Касательная к кривой в этой точке имеет уравнение y-y(x0)=y’(x0)(x-x0). Найдем ординаты точек пересечения этой касательной с осями системы координат.

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

xB=0, yC=0. Тогда

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Т.к М – середина отрезка BC, то

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Отсюда Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Т.к. x0 - произвольная точка, то искомая ф-ция должна удовлетворять диф.уравнению первого порядка

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Для произвольной постоянной С ф-ция y(x)=C/x удовлетворяет этому уравнению. Т.к. кривая должна проходить ч/з точку А(1,2), то подставив в это решение x=1 и y=2, получим С=2. Решением явл-ся гипербола y=2/x.

2.Диф. уравнения первого порядка: основные определения, задача Коши, общее и частное решения, общий и частный интеграл. Диф. уравнение первого порядка имеет вид Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . (1)

Если (1) представима в виде y’=f(x,y) то ДУ разрешено относительно производной.

Задача Коши. Теорема о существовании и единственности решения ДУ. Если в уравнении y’=f(x,y) ф-ция f(x,y) и ее частная производная Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru по у непрерывны в некоторой области D на плоскости Оху, содержащей некоторую точку (х00), то Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru единственное решение этого уравнения Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , удовлетворяющее условию у0=y(x0).

Геометрический смысл теоремы: через точку (х0, у0) проходит единственная интегральная кривая (решение ДУ).

Условие, что при х = х0 функция у должна равняться заданному числу у0, называется начальным условием.

Общим решением ДУ первого порядка называется ф-ция Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru :

1. она удовлетворяет ДУ при любом значении С; 2. Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru удовлетворяет условие (х00).

Равенство Ф(х,у,С)=0 называется общим интегралом ДУ.

Частным решением называется любая ф-ция Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru которая получается из общего решения Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , если в последнем произвольному постоянному С придать определенное значение С=С0. Соотношение Ф(х,у,С0)=0 называется частным интегралом ДУ.

3.ДУ первого порядка: понятие изоклины, особые точки ДУ. Геометрическая интерпретация общего решения ДУ.

Особым решением называется такое решение ДУ, во всех точках которого нарушены условия теоремы Коши, т.е. в любой окрестности каждой точки (х,у) особого решения Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , по крайней мере, две интегральные кривые, проходящие через эту точку.

Геометрическая интерпретация ДУ первого порядка. Пусть дано ДУ, разрешенное относительно производной: y’=f(x,y) (1')

и Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru общее решение данного уравнения. Общее решение определяет семейство интегральных кривых на плоскости Оху.

Уравнение (1') для каждой точки М(х,у) определяет знание производной Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , т.е. угловой коэффициент касательной к интегральной кривой, проходящей ч/з эту точку. Т.о., ДУ (1') определяет поле направлений на плоскости Оху.

С геометрической точки зрения задача интегрирования ДУ заключается в нахождении кривых, направление касательных к которым совпадает с направлением поля в соответствующих точках. Для Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru геометрическое место точек, в которых выполняется соотношение Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru называется изоклиной ДУ.

4.ДУ с разделяющимися переменными. Метод решения. Пример. ДУ вида р(x)dx+q(y)dy=0 называют уравнением с разделенными переменными.

Р(х)+Q(у)=С - общий интеграл ДУ разделенными переменными.

Уравнение вида

М1(х) N1(у) dx + М2(х) N2(y)dy = 0 называется уравнением с разделяющимися переменными, где М1, М2 непрерывна на [a,b], N1, N2 непрерывна на [c,d]. Если N10)=0, то у=у0 - решение уравнения. Аналогично, если М20)=0, то х=х0 - решение уравнения. Если N1(у)М2(х)≠0,то уравнение равносильно

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru являющемуся уравнением с разделенными переменными.

Интегрируем это уравнение:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru – общий интеграл

Пример. Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

5.Однородные и приводящиеся к однородным ДУ I порядка. Метод решения. Пример. Ф-ция f(x,у) называется однородной ф-цией n-го измерения относительно переменных х и у, если при любом λ справедливо тождество

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Если Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , то f(x,у) однородная нулевого измерения.

Пример. Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . f(x,у) - однородная нулевого измерения.

Уравнение 1-го порядка Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

называется однородным относительно х и у, если ф-ция f(x,у) есть однородная ф-ция нулевого измерения относительно х и у.

Перепишем ДУ в виде Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Замена: y=Ux, где U=U(x), тогда Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , тогда уравнение примет вид Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru =g(U)-U

Если Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , то Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru - решение ДУ. Если U Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , то

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru интегрируем

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Если Ф(U) - первообразная для Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , то общий интеграл имеет вид

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Уравнения вида

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru при Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru приводятся к однородным подстановкой x=u+ Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , y= Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , где Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru - точка пересечения прямых Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru и Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Если Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , то подстановка Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru позволяет разделить переменные.

Пример. Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Замена: y=Ux, Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ;

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

6.Линейные ДУ I порядка, уравнения Бернулли. Методы решения. Примеры. Линейным уравнением первого порядка называется уравнение вида

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

линейное относительно неизвестной функции и ее производной, при этом ф-ции Р(х) и Q(x) непрерывны на некотором интервале (а,b).

Метод Бернулли. Решение уравнения ищем в виде: y=uv, где u=u(x), v=v(x), тогда y’=u’v+uv’. Выполним подстановку: u’v+uv’+ Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

1) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Пример. Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

1) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Метод вариации произвольного постоянного.

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru - однородное у-ие соотв-щее

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Подставим в исходное уравнение:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , тогда Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Уравнение Бернулли -уравнение вида

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

где Р(х) и Q(х) - непрерывные на некотором интервале (а,b), Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Разделим на Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru (#)

Обозначим Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Подставим в (#)

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru - линейное уравнение относительно z.

Пример.

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , получим

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru - линейное уравнение.

Решим методом Бернулли.

z=uv;z=u’v+uv’, тогда

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

1) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

2) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru )

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

7.ДУ в полных дифференциалах. Методы интегрирования. Примеры. Уравнение M(x,y)dx+N(x,y)dy=0 (1) называется уравнением в полных дифференциалах, если М(х,у) и N(х,у) - непрерывно-дифференцируемые в области D ф-ции, для которых выполняется соотношение

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Докажем, что если левая часть уравнения (1) есть полный дифференциал, то выполняется условие (2), и обратно - при выполнении условия (2) левая часть уравнения (1) есть полный дифферен­циал некоторой функции u(x,у), т.е. уравнение (1) имеет вид du(x,y)=0 Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru u(х,у) = С.

Предположим

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Тогда

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Дифференцируя первое соотношение по у, а второе - по х, получим:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru Равенство (2) является необходимым условием для того, чтобы левая часть уравнения (1) была полным дифференциалом некоторой функции u(х,у). Достаточность: Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ,

где х0 - абсцисса любой точки из области существования решения. Дифференцируем по у:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ,

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Т.о., ф-ия u(х,у) будет иметь вид:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru Общий интеграл имеет вид:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

(x0,y0) – точки, в которых M и N определены.

Пример.

1) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Проверим условие

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru или

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

2) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru тогда

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

8. ДУ высших порядков, допускающие понижение порядка вида. ДУ n-го порядка имеет вид:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . (*)

Выразим из (*) y(n)

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

1). Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Найдем общий интеграл этого уравнения. Интегрируя по х левую и правую части, получим:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Интегрируем:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

2) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru не содержит у.

Подстановка Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , тогда уравнение примет вид:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Рассмотрим ДУ 2-го порядка разрешенного относительно y’’ этого вида.

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . Подстановка Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . Получим: Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Пусть найдено решение Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , тогда Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

3) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru не содержит x.

Подстановка Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru и т.д.

Рассмотрим уравнение 2-го порядка этого вида Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . Подстановка Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . Получим:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Пусть найдено решение Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , тогда Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ,

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , где Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru – первообразная Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

9. Линейные ДУ высших порядков: основные определения, постановка задачи Коши.

11.Неоднородные ДУ II порядка: теорема о структуре общего решения.

Пусть имеем неоднородное линейное уравнение второго порядка

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru (1)

Теорема о структуре общего решения 1. Общее решение неоднородного уравнения представляется как сумма какого-нибудь частного решения этого уравнения у* и общего решения Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru соответствующего однородного уравнения

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru (2)

Док-во. Доказать, что сумма

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru (3) - общее решение неоднородного уравнения.

Подставим Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru в уравнение (1) вместо у:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru (4)

Т.к. Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru - решение уравнения (2), то

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Т.к. у* - решение уравнения (1),

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , равенство (4) является тождеством. Т.о. первая часть теоремы доказана.

Докажем, что выражение (3) - общее решение уравнения (1), т.е. докажем, что входящие в него произвольные постоянные можно подобрать так, чтобы удовлетворялись начальные условия: Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

каковы бы ни были числа x0, у0 и Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru (x0 должно быть взято из области, где функции a1, а2, f(x) непрерывны).

Представим Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru где Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru и у2 - линейно независимые решения уравнения (2), C1, С2 - произвольные постоянные. Перепишем равенство (3) в виде Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Тогда на основании начальных условий Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Из этой системы уравнений нужно определить С1 и С2.

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Определитель этой системы - определитель Вронского для функций y1 и у2 в точке х=х0. Т.к. эти ф-ции по условию линейно независимы, то определитель Вронского Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru такие значения C1 и С2, при которых формула (3) определяет решение уравнения (1), удовлетворяющее данным начальным условиям. Теорема доказана.

12.Линейные однородные ДУ II порядка с постоянными коэффициентами: характеристичес-кое уравнение, вид общего решения. Имеем линейное однородное уравнение 2-го порядка

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru (*)

где р и q - постоянные действительные числа. Найдем частные решения в виде

у = е, где k = const; тогда

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Подставим в уравнение (*):

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Т.к. Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , то, Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru - характеристическое уравнением по отношению к уравнению (*).

Характеристическое уравнение есть квадратное уравнение, имеющее два корня: обозначим их k1 и k2.

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru Возможны следующие случаи:

I. k1 и k2 – действительные, Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ;

частные решения: Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Эти решения линейно независимы, т.к.

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru общее решение имеет вид Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

II. k1 и k2 - комплексные числа;

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Частные решения:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Общее решение:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru (#)

Рассмотрим случай, когда корни характеристического уравнения чисто мнимые. При р=0, уравнение (*) имеет вид Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Характеристическое уравнение принимает вид Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Корни характеристического уравнения

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Решение (#) принимает вид

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

III. k1 и k2 - действительные равные числа Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Частные решения: Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Общее решение: Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

13.Линейные неоднородные ДУ II порядка с постоянными коэффициентами: нахождения частного решения подбором по виду правой части уравнения. Пусть имеем уравнение

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru (*)

где р и q - действительные числа.

Нахождение частного решения подбором по виду правой части уравнения. Если правая часть уравнения имеет следующий вид:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , где α и β - постоянные, Рn(х) и Qm(х) - многочлены от х соответственно n-й и m-й степени, тогда частное решение уравнения имеет вид:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

r = показателю кратности корня Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru в характеристическом уравнении Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru ; Rl(х) и Tl(x) - полные многочлены от х степени l с неопределенными коэффициентами, Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Частные случаи f(x):

1) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

2) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , A – постоянная Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

3) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

4) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

5) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

6) Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Рассмотрим первый частный случай: Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . Тогда возможны следующие случаи:

а) Число α не является корнем характеристического уравнения

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . Тогда частное решение нужно искать в виде:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Дифференцируем:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru Подставим в (*):

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru - многочлен степени n

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru - многочлен степени n-1

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru - многочлен степени n-2

Т.о., слева и справа от знака равенства стоят многочлены n-й степени. Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х (число неизвестных коэффициентов = n+1), получим систему n+1 уравнений для определения неизвестных коэффициентов А0, А1, А2, ..., Аn.

б) Число α есть простой корень характеристического уравнения.

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

в) Число α - двукратный корень характеристического уравнения.

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

14. Системы ДУ: основные определения, система ДУ нормального типа, постановка задачи Коши. Ф-ии у11(х), у22(х),…, уnn(х) -удовлетворяют системе ДУ, содержащих аргумент х, искомые ф-ции у1, у2 , …, уn и их производные.

Рассмотрим систему уравнений первого порядка:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru - система нормального типа. Проинтегрировать систему - значит определить ф-ции у1, у2, …, уn, удовлетворяющие системе уравнений нормального типа и данным начальным условиям:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Рассмотрим нормальную систему трех уравнений с тремя неизвестными функциями: х=х(t), у=у(t), z=z(t).

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Зададим начальные условия: Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Дифференцируем по t первое из уравнений:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Заменим производные их выражениями f1, f2, f3 из уравнений (*):

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Дифференцируем и аналогично предыдущему, найдем:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Запишем систему:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Определим ф-ии у=у(t), z=z(t), выразив их через х, t и производные Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru :

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru (#)

Подставим эти выражения в последнее из уравнений, получим уравнение 3-го порядка для определения х=х(t):

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Дифференцируя последнее выражение 2 раза, найдем производные Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru как ф-ции от t, С1, С2, С3.

Подставляя эти ф-ии в уравнения (#), определим у(t), z(t):

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru

Рассмотренный метод решения нормальных систем называется методом исключения.

Теорема Коши.

Пусть функции Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , i=1, 2, 3 непрерывны по всем переменным в некоторой области D и имеют в этой области непрерывные частные производные:

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru . Тогда каковы бы ни были значения Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru единственное решение системы Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru , удовлетворяющее начальным условиям

Задачи, приводящие к понятию дифференциального уравнения. - student2.ru .

Наши рекомендации