Найти частные производные функций Найти локальные экстремумы функции Криволинейные интегралы Система координат Найти предел Комплексные числа Производная по направлению

Курсовая по математике. Примеры решения задач Курсовая по математике. Примеры решения задач

Основные понятия теории дифференциальных уравнений

Дифференциальным уравнением называют уравнение, в котором неизвестной является функция одной или нескольких переменных, причем в уравнение входят производные этой функции.

Если неизвестная функция  зависит от одной переменной x, то дифференциальное уравнение называют обыкновенным. Если неизвестная функция  зависит от нескольких переменных , то уравнение называют уравнением в частных производных.

Замечание 1.1. Уравнения, в которые не входят производные неизвестной функции, называют конечными.

Далее мы будем рассматривать только обыкновенные дифференциальные уравнения. Такие уравнения можно записать в виде:

.

Порядком дифференциального уравнения называется порядок входящей в уравнение высшей производной. Степенью дифференциального уравнения называют степень высшей производной. Например

есть уравнение второго порядка первой степени; уравнение

есть уравнение первого порядка третьей степени; уравнение

является уравнением в частных производных.

Решением дифференциального уравнения называется функция , которая при подстановке в уравнение обращает его в тождество. Например, одним из решений уравнения

является функция . Интегральной кривой дифференциального уравнения называется график его решения. Нахождение решений называют интегрированием дифференциального уравнения.

Уравнение считают проинтегрированным, если его решение найдено в явном виде или же определяется из конечного уравнения. В последнем случае это конечное уравнение называют интегралом дифференциального уравнения.

Уравнения первого порядка

Дифференциальное уравнение первого порядка имеет вид:

.

Мы будем рассматривать только уравнения, разрешимые относительно производной:

.

(1.6)

Здесь функция  устанавливает для точки  плоскости xOy значение производной  – значение соответствующего углового коэффициента касательной к интегральной кривой. Говорят, что уравнение  на плоскости xOy определяет поле направлений. Геометрически задача интегрирования уравнения (1.6) заключается в нахождении интегральных кривых, направления касательных к которым в каждой точке совпадают с направлением поля. Например, уравнение

в каждой (отличной от начала координат) точке  определяет угловой коэффициент касательной , который совпадает с угловым коэффициентом прямой, проходящей через начало координат и точку . Поэтому интегральными кривыми уравнения будут всевозможные прямые, проходящие через начало координат.

Справедлива теорема существования и единственности (теорема Коши).

Теорема 1.1. если в уравнении (1.6) функция  и ее частная производная  непрерывны в некоторой окрестности точки , то в этой окрестности существует единственное решение  уравнения (1.6), удовлетворяющее начальному условию

.

(1.7)

Если для точки  выполнены условия теоремы, то через эту точку проходит единственная интегральная кривая . Если для точки  условия теоремы нарушены, то эту точку называют особой. В такой точке может нарушаться единственность решения или же решения может не быть вовсе; в первом случае через точку проходит несколько различных интегральных кривых, во втором – не проходит ни одна. Особые точки могут быть изолированы или же могут заполнять особые линии. Например, для дифференциального уравнения

ось ординат является особой линией (через точки этой линии не проходит ни одна интегральная кривая).

Задачу отыскания решения уравнения (1.6), удовлетворяющего начальному условию (1.7), называют задачей Коши.

Дифференциальное уравнение (в предположении о выполнении условий теоремы существования и единственности) имеет бесконечное множество решений, которые удовлетворяют различным начальным условиям (существует бесконечно много интегральных кривых, которые проходят через различные точки).

Общим решением дифференциального уравнения первого порядка называют функцию

,

которая зависит от одной произвольной постоянной C и удовлетворяет двум условиям:

– является решением уравнения (1.6) при любом значении постоянной C;

– каково бы ни было начальное условие (1.7), можно найти такое значение постоянной , что решение  удовлетворяет уравнению (1.6).

Если общее решение

получено в неявной форме, то его называют общим интегралом уравнения.

Частным решением дифференциального уравнения называется решение

,

удовлетворяющее заданному начальному условию. Частное решение может быть получено из общего выбором соответствующего значения C0 постоянной C.

Частное решение, полученное в неявной форме , называют частным интегралом.

Может оказаться, что функция  является частным решением уравнения, однако не может быть получена из общего решения ни при каком выборе постоянной C. В этом случае функцию  называют особым решением.

Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными

Если для нахождения решения (или интеграла) дифференциального уравнения достаточно найти первообразные, то говорят, что дифференциальное уравнение приведено к квадратуре. Приведение обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка к квадратуре называют разделением переменных.

Примером уравнения, приведенного к квадратуре, является уравнение

.

Его частное решение, удовлетворяющее начальному условию , имеет вид

,

или

,

где  – какая-либо первообразная функции . В справедливости последних соотношений можно убедиться, дифференцируя обе части по переменной x.

Если уравнение первого порядка имеет вид

,

(1.8)

то говорят, что переменные в уравнении разделены; уравнение (1.8) называют с разделенными переменными. Это уравнение можно рассматривать как равенство двух дифференциалов. Неопределенные интегралы от них будут отличаться только постоянным слагаемым. Интегрируя левую часть по переменной x, а правую – по переменной y, получим:

.

(1.9)

Последнее соотношение является конечным уравнением, связывающим независимую переменную, искомую функцию и произвольную постоянную. Поэтому (1.9) является общим интегралом уравнения (1.8).

Например, для разделения переменных в уравнении

достаточно умножить обе части на dx:

.

Поэтому общее решение имеет вид

.

Нетрудно получить частное решение, удовлетворяющее условию :

,

откуда

,

,

что совпадает с результатом, полученным выше по формуле Ньютона-Лейбница.

Если уравнение имеет вид

,

причем , то его называют уравнением с разделяющимися переменными. Это уравнение можно привести к виду

.

Например, в уравнении

для разделения переменных достаточно умножить обе части на :

,

откуда

, ,

;

функция  является общим решением.

Одним из важнейших вопросов теории дифференциальных уравнений является вопрос о классах уравнений, приводящихся к квадратурам. Среди уравнений первого порядка к квадратурам приводятся, в частности, однородные уравнения, уравнения в полных дифференциалах и линейные уравнения.

Однородные уравнения

Уравнение

называется однородным, если его правая часть является однородной функцией нулевой степени:

.

Однородные уравнения интегрируются заменой

, , .

Пример. . Это уравнение – однородное; в этом можно убедиться, разрешая его относительно производной:

,

.

Полагая , получим

, , ;

, ,

, .

Пусть требуется проинтегрировать уравнение

.

(1.10)

Если , то уравнение (1.10) – однородное. Пусть c и c1 одновременно не равны нулю. Выполним линейную замену

, ,

так, чтобы в новых переменных уравнение стало однородным. Имеем:

,

,

.

Достаточно выбрать  и  так, чтобы суммы в скобках обратились в ноль:

.

Если основной определитель последней системы отличен от нуля, то  и  определяются единственным образом. Если он равен нулю, то

, , ,

поэтому уравнение (1.10) имеет вид

.

Для разделения переменных следует выполнить замену .

Уравнение в полных дифференциалах.

Пусть требуется проинтегрировать уравнение

,

(1.11)

причем для функций  и  выполнено

.

В этом случае правая часть (1.11) является полным дифференциалом некоторой функции ; уравнение (1.11) называют уравнением в полных дифференциалах.

Пусть функция  обращает конечное уравнение

(1.12)

в тождество. Вычисляя дифференциалы обеих частей (1.12), получим

.

Следовательно, (1.12) является общим интегралом уравнения (1.11). Интегральными кривыми уравнения являются линии

,

на которых функция  сохраняет постоянное значение.

Так как

,

то входящие в уравнение (1.11) функции  и  должны быть соответствующими частными производными:

, .

Интегрируя первое из этих равенств по переменной x, получим

,

где  – произвольная функция, не зависящая от x. Для нахождения этой функции продифференцируем последнее соотношение по переменной y:

,

.


На главную