- •Контрольная работа 6 Обыкновенные дифференциальные уравнения
- •Основные теоретические сведения
- •1. Основные понятия теории дифференциальных уравнений 1-го порядка
- •Геометрический смысл основных понятий
- •Что есть что?
- •Чтобы решить однородное уравнение, нужно
- •Что необходимо для решения линейных уравнений
- •Что необходимо для решения уравнений 2-го порядка допускающих понижение порядка
- •Что нужно знать для составления общих решений уравнения
- •Контрольная работа 7 Теория рядов
- •Основные теоретические сведения
- •Для определения области сходимости степенного ряда
- •Контрольная работа 8 Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных
- •Основные теоретические сведения
- •Чтобы изменить порядок интегрирования
Контрольная работа 6 Обыкновенные дифференциальные уравнения
Литература
[1], гл. XXI, XXII; [2], т. 2, гл. 13; 3гл. 11, п. 13, 5; [4], гл. 15; [5], ч. 2, гл. 4; [6], 11; [8].
Основные теоретические сведения
1. Основные понятия теории дифференциальных уравнений 1-го порядка
Дифференциальным уравнением называется уравнение, связывающее между собой аргумент, функцию, ее производные: .
Порядок дифференциального уравнения равен порядку высшей производной, содержащейся в уравнении. Дифференциальное уравнение первого порядка .
Решение (интеграл) − явная (неявная) функция , обращающая дифференциальное уравнение в тождество.
Общим решением (совокупность всех решений) − функция, которая удовлетворяет трем условиям:
1) содержит n произвольных постоянных величин, если n − порядок дифференциального уравнения;
2) при любых значениях произвольных постоянных является решением;
3) при произвольных начальных условиях позволяет решать задачу Коши (по заданным начальным условиям определить частное решение).
Решение уравнения существует в области X, где функция непрерывна.
Геометрический смысл основных понятий
Дифференциальное уравнение первого порядка геометрически представляет собой поле направлений касательных к интегральным кривым.
Общее решение − однопараметрическое семейство интегральных кривых , где C − параметр.
Решения, получающиеся из общего решения при определенном значении произвольной постоянной C, называется частными.
График всякого решения данного дифференциального уравнения, построенный на плоскости , называется интегральной кривой этого уравнения.
Частное решение уравнения − интегральная кривая , угловые коэффициенты касательных к которой определяются данным дифференциальным уравнением. Задача нахождения частного решения, удовлетворяющего начальным условиям (другая запись или ), называется задачей Коши.
Пример. Пусть дано дифференциальное уравнение .
Что есть что?
1) Дифференциальное 2) Общее решение 3) Частное решение
уравнение
у y у
Интегральная кривая,
соответствующая начальному
условию .
Рис. 10.
2. Рассмотрим методы нахождения решений дифференциальных уравнений 1-го порядка. Отметим, что общего метода нахождения решений не существует. Обычно рассматривают типы уравнений, и для каждого из них находят свой способ нахождения решения.
Уравнения с разделяющимися переменными. Уравнение вида
, (6.1)
где, − непрерывные функции, называется дифференциальным уравнением с разделяющимися переменными.
Для отыскания решения уравнения (6.1) нужно, как говорят, разделить в нем переменные. Для этого
1) заменим в (6.1) ,
2) умножим обе части уравнения ,
3) разделим обе части уравнения .
Тогда уравнение принимает вид
. (6.2)
В этом уравнении переменная x входит только в правую часть уравнения, а переменная y − только в левую часть. Следовательно, переменные разделены. Далее необходимо проинтегрировать уравнение (6.2) и записать общий интеграл (решение).
Однородные дифференциальные уравнения. Функция называется однородной функцией измерения k относительно аргументов x и y если равенство справедливо для любого числа , при котором функция определена, .
Например, функция является однородной четвертого измерения , так как
.
Если , то функция будет однородной нулевого измерения, т.е.
.
Дифференциальное уравнение в нормальной форме
(6.3)
называется однородным относительно переменных x и y, если однородная функция нулевого измерения относительно своих аргументов.
Так как однородное дифференциальное уравнение (6.1) в нормальной форме всегда можно записать в виде , то, положив , получим . Следовательно, уравнение (6.3) с помощью замены сводится к уравнению с разделяющимися переменными относительно x и новой функции .