Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка

Определение 5.1 .Дифференциальное уравнение вида

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru (5.1)

называется линейнымнеоднородным дифференциальным уравнением первого порядка относительно переменной Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , а уравнение

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru (5.1 Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru )

называется линейнымнеоднородным дифференциальным уравнением первого порядка относительно переменной Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .

При Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru уравнение Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru (5.2)

называется линейнымоднородным дифференциальным уравнением первого порядка и является уравнением с разделяющимися переменными.

Его общее решение имеет вид: Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , (5.3)

где С=const.

Аналогично для уравнения Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Решение линейного однородного дифференциального уравнения первого порядка (5.1) можно найти методом вариации производной постоянной или методом Бернулли.

Метод вариации произвольной постоянной.

Определим общее решение уравнения (5.2)-соответствующего однородного уравнения (5.1): Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .

Решение линейного неоднородного дифференциального уравнения (5.1) будем искать в виде

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , (5.4)

считая Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru -некоторой функцией переменной Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .

Подставляя Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru и

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru в (5.1),получим дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными , из которого найдем Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru :

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ; Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , (5.5)

где Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .

Подставив (5.5) в (5.4) получим общее решение уравнения (5.1)

Пример 5.1Решить задачу Коши Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ; Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .

Решение. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru - однородное линейное дифференциальное уравнение первого порядка.

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ; Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ; Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru - общее решение линейного однородного уравнения.

Найдем общее решение линейного неоднородного уравнения в виде Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru и подставим в неоднородное линейное дифференциальное уравнение первого порядка Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .Найдем Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru :

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ; Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ; Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru - общее решение линейного неоднородного уравнения. Найдем частное решение.

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ,

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ,

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .

Тогда Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru - частное решение линейного неоднородного уравнения.

Метод Бернулли.

Общее решение линейного неоднородного уравнения первого порядка (5.1) будем искать в виде Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru (5.6),

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru или ( Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ) (5.7)

Подставим (5.6) в (5.1).Получим

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Так как Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru и Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru произвольные ненулевые функции, произведение которых дает функцию Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ,то выберем их так ,чтобы выражение в скобках обращалось в ноль.

Тогда система Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru будет равносильна уравнению (5.1)

Решение первого уравнения с разделяющимися переменными Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , подставляется во второе уравнение. При этом С берется произвольным, т.к. нас интересует любая одна функция , обращающая в ноль выражение в скобках.

Решение первого и второго уравнения подставляем в (5.6), которое служит решением исходного уравнения (5.1)

Пример 5.2.

Найти частное решение уравнения Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .

Решение: Определим тип уравнения:

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru -линейное неоднородное уравнение первого порядка,

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Решим его методом Бернулли .Общее решение будем искать в виде Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ,

решим первое -уравнение с разделяющимися переменными

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .Подставим во второе уравнение.

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ; Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru общее решение уравнения Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .

Найдем частное решение ,удовлетворяющее начальным условиям Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ; Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ; Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru частное решение уравнения Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , удовлетворяющее начальным условиям Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Определение 5.2Дифференциальное уравнение вида

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru (5.8)

называется уравнением Бернулли. Оно сводится к линейному неоднородному дифференциальному уравнению первого порядка заменой переменных Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Пример 5.3.

Найти частное решение уравнения Бернулли

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Решение: Преобразуем уравнение к виду , разрешенному относительно первой производной Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ; Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ; Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Поделим обе части уравнения на Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , считая Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru , и введем новую переменную

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru или Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru -линейное уравнение относительно функции Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .Решим его методом Бернулли.

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru или Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ,тогда Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru - общее решение.

Найдем частное решение:

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru или Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru -частное решение уравнения Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru ,удовлетворяющее начальным условиям

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка - student2.ru .

Наши рекомендации