(3953) równania_różniczkowe.doc

(490 KB) Pobierz
RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

DEF 1. Równaniem różniczkowym zwyczajnym pierwszego rzędu nazywamy równanie postaci

F(x , y , y)=0,

gdzie y oznacza pochodną funkcji y zmiennej x.

UWAGA 1. Zamiast y będziemy również pisać .

DEF 2. Rozwiązaniem równania różniczkowego zwyczajnego jest każda funkcja klasy C1 postaci y=j(x), która spełnia to równanie tzn.: F(x  , j(x) , j (x ) )=0.

DEF 3. Rozwiązaniem ogólnym równania różniczkowego zwyczajnego jest funkcja postaci j(x , C), gdzie CÎR. Przy ustalonym C rozwiązanie ogólne staje się rozwiązaniem szczególnym.

UWAGA 2.  Dane równanie różniczkowe może mieć nieskończenie wiele rozwiązań szczególnych.

PRZYKŁAD 1.Spróbujmy rozwiązać równanie postaci y = y. Rozwiązaniem tego równania może być funkcja , ponieważ tylko ta funkcja i jej pochodna są równe. Jest to rozwiązanie szczególne bowiem rozwiązanie ogólne jest postaci  . Istotnie dla dowolnej liczby rzeczywistej C. Rozwiązanie szczególne powstaje, gdy w rozwiązaniu ogólnym podstawić za C konkretną liczbę np.: C=1.

PRZYKŁAD 2. Rozwiąż równanie

y = 2y

y = e2x

(e2x) = 2e2x.

y = e2x- rozwiązanie szczególne

y = C e2x- rozwiązanie ogólne

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE O ROZDZIELONYCH ZMIENNYCH

DEF 4. Równaniem różniczkowym zwyczajnym o rozdzielonych zmiennych nazywamy równanie postaci

,

gdzie p i q oznaczają funkcje ciągłe jednej zmiennej.

PRZYKŁAD 3. Rozwiążemy równanie postaci

y2= x.

W tym celu rozdzielimy zmienne dzieląc obie strony równania przez dx co daje nam

y2dy= x dx .

Całkujemy obustronnie

ò y2 dy= ò x dx .

i otrzymujemy

y3 = x2 +C

skąd

y3 = x2 +3 C -rozwiązanie ogólne.

PRZYKŁAD 4. Rozwiążmy  równanie                             .

Mamy                                                                                     .

Dzielimy najpierw przez (1+x2 ) a następnie przez   ( oraz mnożymy przez dx i otrzymujemy

.

Całkujemy obustronnie                                                        

skąd , więc rozwiązaniem ogólnym jest

PRZYKŁAD 5. Rozwiążemy równanie postaci                             2x2= y.

W tym celu rozdzielimy zmienne dzieląc obie strony równania najpierw przez 2x2, x ¹ 0 co daje nam ,

a następnie przez y przy założeniu, że y ¹ 0  i otrzymujemy postać .

Teraz mnożymy obie strony przez element dx i dostajemy  .

Całkujemy obustronnie

i otrzymujemy ln|y| = - +C

skąd .

Funkcja stała y = 0 jest także rozwiązaniem tego równania , bo

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE POSTACI y = f(ax + by +c)

Rozpatrzymy teraz równanie postaci

y = f(ax + by +c),

w którym wykonujemy podstawienie

u =ax +by +c

, skąd

i

, dla b ¹ 0.

PRZYKLAD 6. Rozwiążmy równanie =(x-y)2 + 1 przy warunku początkowym dla x=0.

Podstawmy                                                                                    u  =  x  -  y,

skąd                                                                                                   ,

więc                                                                                                   .

Wstawmy to do równania i dostajemy                             .

Dalej mamy                                                                      

i                                                                                                   ,

skąd                                                                                                  ,

czyli                                                                                                  .

Wracając do naszego podstawienia otrzymujemy , ostatecznie więc  rozwiązaniem ogólnym jest

.

Uwzględniając warunek początkowy mamy , czyli C=-2, więc jednym z rozwiązań szczególnych jest funkcja , która dla x=0 przyjmuje wartość .

PRZYKLAD 7. Rozwiąż równanie y’ = 2x + 3y +1.

Podstawmy                             u =2x + 3y +1

oraz                                           u’ =  2  +3 y’

stąd                                            y’ = 

Mamy                                          =  u

czyli                                          u’ – 2 =3 u

=  3u  + 2

= dx

ln|3u + 2| = x + C

ln|2x + 3y +1 |= 3x + 3C – rozwiązanie ogólne

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE POSTACI  y = f()

Rozpatrzymy teraz równanie postaci

,

gdzie f jest ciągła i x ¹ 0.

W tym przypadku wykonujemy podstawienie

,

skąd

y= x u  i .

PRZYKLAD 8.Rozwiążmy równanie .

Zanim wykonamy podstawienie podzielimy obie strony równania przez . Wówczas otrzymujemy równanie

.

Wykonujemy podstawienie skąd .

Dostajemy                                          

stąd                            

Po przekształceniach otrzymujemy                             ,

więc                                           .

Po uwzględnieniu wcześniejszego podstawienia otrzymujemy               ,

skąd .

PRZYKLAD 9. Rozwiąż równanie .

Najpierw dokonujemy podstawienia skąd .

Mamy                             u + x=+u

                                          x=

                                          (3+u) du =

                                          ò (3+u) du =ò

                                          3u + u2 = ln|x| + C

                                          3+=ln |x| + C – rozwiązanie ogólne

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE LINIOWE RZĘDU PIERWSZEGO

DEF 5. Równaniem różniczkowym liniowym I- rzędu nazywamy równanie różniczkowe postaci

,

gdzie funkcje p i q są ciągłe zadane zaś y funkcją niewiadomą zmiennej x.

UWAGA 3. Jeżeli q(x) = 0 to równaniem różniczkowym liniowym I- rzędu nazywamy równaniem różniczkowym liniowym jednorodnym .

...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin