Оглавление:
Обыкновенным дифференциальным уравнением называется уравнение вида
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43426.png)
связывающее независимую переменную х, искомую функцию у = у(х) и ее производные у'(х), у»(х), … , (наличие хотя бы одной производной обязательно). Здесь
— заданная функция своих аргументов.
Замечание:
Обозначения зависимой и независимой переменных через х и у, используемые в приведенном определении, не являются жесткими; часто в качестве независимой удобно брать переменную t, иными буквами обозначают и зависимую переменную (см. ниже пример 2).
В обыкновенном дифференциальном уравнении искомая функция у = у(х) есть функция одной независимой переменной x. Если искомая функция есть функция двух (и более) независимых переменных, то имеем дифференциальное уравнение с частными производными. В этой и двух следующих главах мы будем рассматривать только обыкновенные дифференциальные уравнения.
Простейшим дифференциальным уравнением является уравнение вида
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43442.png)
где f(x) — известная непрерывная на некотором интервале (а, b) функция, а у = у(х) — искомая функция. С таким уравнением мы уже встречались в интегральном исчислении, когда поданной функции f(x) требовалось найти ее первообразную F(x). Как известно, всякая функция, удовлетворяющая уравнению (2), имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43444.png)
где F(x) — какая-нибудь первообразная для функции f(x) на интервале (а, Ь), а С — произвольная постоянная. Таким образом, искомая функция у = у(х) определяется из уравнения (2) неоднозначно.
Порядком дифференциального уравнения называется порядок наивысшей производной, входящей в уравнение. Например,
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43450.png)
— дифференциальное уравнение 1-го порядка;
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43452.png)
— дифференциальное уравнение 2-го порядка;
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43520.png)
— дифференциальное уравнение пятого порядка.
Решением дифференциального уравнения n-го порядка на интервале (а, b) называется всякая функция имеющая на этом интервале производные до n-го порядка включительно и такая, что подстановка функции
и ее производных в дифференциальное уравнение обращает последнее в тождество по х на интервале (а, b).
Например, функция у = sin х является решением дифференциального уравнения второго порядка
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43534.png)
на интервале В самом деле,
Подставив в данное уравнение найденные значения
получим —
Задача:
Найти совпадающие решения двух дифференциальных уравнений (не решая самих уравнений):
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43552.png)
График решения дифференциального уравнения называется интегральной кривой этого уравнения.
Процесс нахождения решения дифференциального уравнения называется интегрированием дифференциального уравнения. К составлению и интегрированию дифференциальных уравнений приводят многочисленные задачи как самой математики, так и других наук (физики, химии, биологии и т. п.).
Пример:
Найти такую кривую, чтобы тангенс угла наклона касательной в каждой ее точке численно равнялся ординате точки касания.
Пусть
y = y(х)
— уравнение искомой кривой. Как известно, tg а = у'(х) и, значит, определяющее свойство кривой есть
у'(х) = у(х)
— дифференциальное уравнение первого порядка. Нетрудно видеть, что функция
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43560.png)
Есть решение этого уравнения. Оно также имеет очевидное решение у = 0. Кроме того, решениями будут функции
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43564.png)
где С — произвольная постоянная, так что уравнение имеет бесконечное множество решений.
Пример:
Найти закон прямолинейного движения материальной точки, движущейся с постоянным ускорением а.
Требуется найти формулу выражающую пройденный путь как функцию времени. По условию имеем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43573.png)
— дифференциальное уравнение второго порядка. Последовательно находим:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43577.png)
Произвольные постоянные можно определить, если положить
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43582.png)
В самом деле, полагая t = to в первом из соотношений (*), получаем =
Из второго соотношения (*) при t = tо имеем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43600.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43611.png)
Подставляя найденные значения C1 и С2 в выражение для функции s(t), приходим к известному закону движения материальной точки с постоянным ускорением:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43621.png)
Эквивалентные дифференциальные уравнения. Задача Коши
Пусть имеем дифференциальное уравнение первого порядка
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43626.png)
Если в этом уравнении удается выразить производную у’ через х и у, то получаем уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43627.png)
разрешенное относительно производной. Здесь f — заданная функция своих аргументов.
Наряду с уравнением (1) рассматривают эквивалентное ему дифференциальное уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43635.png)
или уравнение более общего вида
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43639.png)
получаемое из (1′) путем умножения на некоторую функцию
известные функции своих аргументов).
Два дифференциальных уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43654.png)
называются эквивалентными в некоторой области D изменения величин х, у, у’, если всякое решение одного из этих уравнений является решением другого уравнения и наоборот. При преобразовании дифференциальных уравнений надо следить затем, чтобы преобразованное уравнение было эквивалентным исходному.
Если дифференциальное уравнение имеет решение, то, как правило, множество его решений оказывается бесконечным. Впрочем, дифференциальное уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43667.png)
имеет только одно решение
y = х,
а уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43674.png)
вообще не имеет действительных решений.
Чтобы выделить определенное решение уравнения (1), надо задать начальное условие, которое заключается в том, что при некотором значении Xо независимой переменной х заранее дано значение Yo искомой функции у(х):
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43703.png)
Геометрически это означает, что задается точка через которую должна проходить искомая интегральная кривая.
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43707.png)
Задачу отыскания решения у(х) уравнения (1), удовлетворяющего начальному условию (2), называют задачей Коши (начальной задачей) для уравнения (1).
Теорема существования и единственности решения задачи Коши для уравнения у’ = f(x, у)
Теорема:
Существования и единственности решения. Пусть имеем дифференциальное уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43721.png)
и пусть функция f(x,y) определена в некоторой области D на плоскости хОу. Выберем произвольную точку Если существует окрестность
этой точки, в которой функция f(x,y)
1) непрерывна по совокупности аргументов;
2) имеет ограниченную частную производную то найдется интервал
на котором существует, и притом единственная, функция
являющаяся решением уравнения (1) и принимающая при X = Xo значение Yо (рис. 1)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43789.png)
Геометрически это означает, что через точку проходит одна и только одна интегральная кривая уравнения (1).
Теорема 1 имеет локальный характер: она гарантирует существование единственного решения уравнения (1) лишь в достаточно малой окрестности точки х0. Из теоремы 1 вытекает, что уравнение (1) имеет бесконечное множество различных решений (например, одно решение, график которого проходит через точку (Xo, Yо); другое решение, когда график проходит через точку (Xо, Y1 ) и т. д.).
Пример:
В уравнении
у’ = х + у
функция
f(x,y) = x + у
определена и непрерывна во всех точках плоскости хОу и имеет всюду В силу теоремы 1 через каждую точку (Xо, Yо) плоскости хОу проходит единственная интегральная кривая этого уравнения.
Пример:
В уравнении
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43827.png)
функция
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43829.png)
определена и непрерывна на всей плоскости хОу. Здесь
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43852.png)
так что второе условие теоремы 1 нарушается в точках оси Ох. Нетрудно проверить, что функция
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43855.png)
где С — любая постоянная, является решением данного уравнения. Кроме того, уравнение имеет очевидное решение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43860.png)
Если искать решения этого уравнения, соответствующие условию у(0) = 0, то таких решений найдется бесчисленное множество, а частности, следующие (рис. 2):
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43870.png)
Таким образом, через каждую точку оси Ох проходят по крайней мере две интегральные кривые и, следовательно, в точках Этой оси нарушается единственность.
Если взять точку М1 (1,1), то в достаточно малой ее окрестности выполнены все условия теоремы 1. Следовательно, через данную точку в малом квадрате проходит единственная интегральная кривая
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43876.png)
уравнения Если квадрат
взять достаточно большим (подумайте, каким), то в нем единственность решения уже не будет иметь места. Это подтверждает локальный характер теоремы 1.
Теорема 1 дает достаточные условия существования единственного решения уравнения у’ = f(x,y). Это означает, что может существовать единственное решение у = у(х) уравнения у’ = f(x, у), удовлетворяющее условию хотя в точке (Xo, Yо) не выполняются условия 1) или 2) теоремы или оба вместе.
Пример:
Для уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43902.png)
Имеем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43907.png)
В точках оси Ох функции разрывны, причем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43919.png)
Но через каждую точку (Хо, 0) оси Ох проходит единственная интегральная кривая
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43924.png)
Замечание:
Если отказаться от ограниченности то получается следующая теорема существования решения.
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-43933.png)
Теорема:
Если функция f(x, у) непрерывна в некоторой окрестности точки (х0, уо), то уравнение у’ = f(x, у) имеет в этой окрестности по крайней мере одно решение принимающее при х = х0 значение у0.
Задача:
Найти интегральную кривую уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47765.png)
проходящую через точку О (0,0).
Задача:
Найти решение задачи Коши
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47770.png)
Определение:
Общим решением дифференциального уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47774.png)
в некоторой области существования и единственности решения задачи Коши называется однопараметрическое семейство S функций
зависящих от переменной х и одной произвольной постоянной С (параметра), такое, что
1) при любом допустимом значении постоянной С функция является решением уравнения (1):
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47788.png)
2) каково бы ни было начальное условие можно подобрать такое значение С0 постоянной С, что решение
будет удовлетворять начальному условию
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47800.png)
При этом предполагается, что точка (Хо, Уо) принадлежит области существования и единственности решения задачи Коши.
Пример:
Показать, что общим решением дифференциального уравнения
у’ = 1
является функция
у = х + С,
где С — произвольная постоянная.
В данном случае f(x, у) = 1, и условия теоремы 1 выполняются всюду. Следовательно, через каждую точку (Хо, Уо) плоскости хОу проходит единственная интегральная кривая данного уравнения.
Проверим, что функция
у = х + С
удовлетворяет условиям 1) и 2), содержащимся в определении общего решения. Действительно, при любом С имеем
у’ = (х + С)’ = 1,
так что у = х + С есть решение данного уравнения. Потребовав, чтобы при Х = Хо решение принимало значение Уо, приходим к соотношению Уо = Хо + Со. откуда
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47807.png)
Решение у = х + Уо — Хо, или
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47812.png)
удовлетворяет поставленному начальному условию.
Частным решением дифференциального уравнения (1) называется решение, получаемое из общего при каком-либо конкретном значении произвольной постоянной С (включая ). Таким образом, общее решение этого дифференциального уравнения можно определить как множество всех частных решений уравнения.
В процессе интегрирования дифференциального уравнения мы часто приходим к уравнению
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47818.png)
неявно задающему общее решение уравнения. Уравнение (2) называют общим интегралом дифференциального уравнения (1).
Уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47826.png)
где — некоторое конкретное значение постоянной С, называется частным интегралом.
Замечание:
Название происходит от того, что для простейшего дифференциального уравнения вида
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47833.png)
его общее решение действительно записывается при помощи обычного неопределенного интеграла
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47835.png)
Пример:
Общий интеграл уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47837.png)
имеет следующий вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47840.png)
или
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47841.png)
В дальнейшем для краткости мы будем иногда говорить, что решение уравнения проходит через некоторую точку если точка
лежит на графике этого решения.
Определение:
Решение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47848.png)
дифференциального уравнения (1) называется особым, если в каждой его точке нарушается свойство единственности, т. е. если через каждую его точку кроме этого решения проходит и другое решение уравнения (1), не совпадающее с
в сколь угодно малой окрестности точки
.
График особого решения называют особой интегральной кривой уравнения. Геометрически это — огибающая семейства интегральных кривых дифференциального уравнения, определяемых его общим интегралом.
Если для дифференциального уравнения (1) в некоторой области D на плоскости хОу выполнены условия теоремы 1, то через каждую точку проходит единственная интегральная кривая
уравнения. Эта кривая входит в однопараметрическое семейство кривых
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47866.png)
образующих общий интеграл уравнения (1), и получается из этого семейства при конкретном значении параметра С, т.е. является частным интегралом уравнения (1). Никаких других решений, проходящих через точку , здесь быть не может. Следовательно, для существования особого решения у уравнения (1) необходимо, чтобы не выполнялись условия теоремы 1. В частности, если правая часть уравнения (1) непрерывна в рассматриваемой области D, то особые решения могут проходить только через те точки, где производная
становится бесконечной.
Напомним, что огибающей семейства кривых называется такая кривая, которая в каждой своей точке касается некоторой кривой семейства и каждого отрезка которой касается бесконечное множество кривых из этого семейства.
Например, для уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47884.png)
функция непрерывна всюду, но производная
обращается в бесконечность при у = 0, т. е. на оси Ох плоскости хОу. Уравнение (3) имеет общее решение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47895.png)
— семейство кубических парабол — и очевидное решение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47897.png)
проходящее через те точки, где производная не ограничена. Решение
— особое, так как через каждую его точку проходит и кубическая парабола, и сама эта прямая у = 0 (см. рис. 2). Таким образом, в каждой точке решения
нарушается свойство единственности. Особое решение
не получается из решения
ни при каком числовом значении параметра С (включая
).
Из теоремы 1 можно вывести только необходимые условия для особого решения. Множество тех точек, где производная не ограничена, если оно является кривой, может и не быть особым решением уже потому, что эта кривая, вообще говоря, не является интегральной кривой уравнения (1). Если, например, вместо уравнения (3) взять уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47912.png)
то в точках прямой у = 0 по-прежнему нарушается условие ограниченности производной , но эта прямая, очевидно, не является интегральной кривой уравнения (4).
Итак, чтобы найти особые решения уравнения (1), надо
1) найти множество точек, где производная обращается в бесконечность;
2) если это множество точек образует одну или несколько кривых, проверить, являются ли они интегральными кривыми уравнения (1);
3) если это интегральные кривые, проверить, нарушается ли в каждой их точке свойство единственности.
При выполнении всех этих условий найденная кривая представляет собой особое решение уравнения (1).
Задача:
Найти особые решения уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47921.png)
Сделать рисунок.
Приближенные методы интегрирования уравнения у’ = f(x, у)
Метод изоклин
Пусть имеем дифференциальное уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47927.png)
где функция f(x, у) в некоторой области D на плоскости хОу удовлетворяет условиям теоремы 1. Это уравнение определяет в каждой точке (х, у) области D значение у’, т. е. угловой коэффициент касательной к интегральной кривой в этой точке. Говорят, что уравнение (1) определяет в области D поле направлений. Чтобы его построить, надо в каждой точке представить с помощью некоторого отрезка направление касательной к интегральной кривой в этой точке, определяемое значением
Совокупность этих отрезков дает геометрическую картину поля направлений. Задача интегрирования дифференциального уравнения (1) может быть теперь сформулирована так: найти такую кривую, чтобы касательная к ней в каждой точке имела направление, совпадающее с направлением поля в этой точке. Такое истолкование дифференциального уравнения и его интегрирования дает графический способ решения уравнения.
Для построения интегральных кривых пользуются изоклинами. Изоклиной называется множество всех точек плоскости хОу, в которых касательные к искомым интегральным кривым имеют одно и то же направление (у’ = const).
Из этого определения следует, что семейство изоклин дифференциального уравнения (1) задается уравнением
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47950.png)
где к — числовой параметр. Если придать параметру к близкие числовые значения, можно найти достаточно густую сеть изоклин и приближенно построить интегральные кривые дифференциального уравнения.
Пример:
Проинтегрировать уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47953.png)
по способу изоклин.
Семейство изоклин данного уравнения определяется уравнением
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47957.png)
Полагая к = 0, + 1, — 1,…, получаем изоклины
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47959.png)
по которым строим интегральные кривые уравнения (рис. 4).
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47961.png)
Нулевая изоклина
f(x,y) = 0
определяет множество возможных точек экстремума интегральных кривых (прямая x = 0 в примере 1).
Для большей точности построения интегральных кривых определяют направление вогнутости и точки перегиба этих кривых (если такие точки существуют). Для этого находят у» в силу уравнения (1):
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47964.png)
Знак правой части определяет знак у», т. е. направление вогнутости интегральных кривых. Линия, заданная уравнением
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47967.png)
есть множество всех возможных точек перегиба интегральных кривых.
В примере 1 имеем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47970.png)
поэтому все интегральные кривые обращены вогнутостью вверх, и точек перегиба интегральных кривых нет.
Метод последовательных приближений
Пусть имеем дифференциальное уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47978.png)
где функция f(x, у) в некоторой области D изменения х, у удовлетворяет условиям теоремы 1, и пусть точка . Решение задачи Коши
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47983.png)
равносильно решению некоторого интегрального уравнения, т. е. уравнения, в которое неизвестная функция входит под знаком интеграла. В самом деле, пусть
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47985.png)
— решение уравнения (2), заданное в некоторой окрестности точки
и удовлетворяющее начальному условию (3). Тогда при
имеет место тождество
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47996.png)
Проинтегрируем это тождество по х
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-47998.png)
Отсюда учитывая (3), получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48001.png)
так что решение у(х) задачи Коши удовлетворяет интефальному уравнению
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48003.png)
Обратно: если непрерывная функция удовлетворяет интегральному уравнению (4), то, как легко проверить, у(х) является решением задачи Коши (2)-(3).
Решение интегрального уравнения (4) для всех х, достаточно близких к
, может быть построено методом последовательных приближений по формуле
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48023.png)
причем в качестве можно взять любую непрерывную на отрезке
функцию, в частности,
Пример:
Методом последовательных приближений решить задачу Коши
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48032.png)
Сводим данную задачу к интегральному уравнению
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48033.png)
Выбирая за нулевое приближение функцию
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48034.png)
последовательно находим:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48035.png)
Легко видеть, что функция есть решение задачи.
Численные методы решения задачи Коши Метод Эйлера
Пусть требуется найти приближенное решение дифференциального уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48038.png)
удовлетворяющее начальному условию
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48039.png)
Будем предполагать, что в некотором прямоугольнике функция f(x, у) непрерывна и имеет непрерывные частные производные достаточно высокого порядка по всем аргументам, так что решение задачи Коши (1)-(2) существует, единственно и является функцией, дифференцируемой достаточное число раз.
Численное решение задачи (1)-(2) состоит в построении таблицы приближенных значений решения задачи в точках
Чаще всего выбирают
Точки Хк называют узлами сетки, а величину h > 0 — шагом сетки. Так как по определению производная
есть предел разностного отношения
то, заменяя производную этим отношением, вместо дифференциального уравнения (1) получим разностное уравнение (разностную схему Эйлера)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48054.png)
Отсюда последовательно находим значения учитывая, что
— заданная величина.
В результате вместо решения у = у(х) мы находим функцию
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48060.png)
дискретного аргумента (сеточную функцию), дающую приближенное решение задачи (1)-(2). Геометрически искомая интегральная кривая у = у(х), проходящая через точку
заменяется ломаной Эйлера
с вершинами в точках
(см. рис. 5).
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48100.png)
Метод Эйлера относится к группе одно-шаговых методов, в которых для вычисления точки требуется знание только предыдущей вычисленной точки
Для оценки погрешности метода на одном шаге сетки разложим точное решение у = у(х) в окрестности узла
по формуле Тейлора
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48079.png)
Сравнение формул (4) и (5) показывает, что они совпадают до членов первого порядка по h включительно, а погрешность формулы (4) равна Поэтому говорят, что метод Эйлера имеет первый порядок.
Пример:
Методом Эйлера решить задачу Коши
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48083.png)
на отрезке |0; 0,5] с шагом h = 0,1.
В данном случае Пользуясь формулой (4),
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48087.png)
последовательно находим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48089.png)
и т. д. Результаты вычислений сведем в таблицу
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48090.png)
Замечание:
Если рассмотреть задачу Коши
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48092.png)
на любом отрезке [0, a] с любым шагом h > 0, то получим так что в этом случае ломаная Эйлера «распрямляется» и совпадает с прямой у = х + 1 — точным решением поставленной задачи Коши.
Понятие о методе Рунге—Кутта
Метод Эйлера весьма прост, но имеет низкую точность. Точность решения можно повысить путем усложнения разностной схемы. Весьма распространенными на практике являются схемы Рунге—Кутта.
Пусть опять требуется решить задачу Коши (1)-(2). Будем строить таблицу приближенных значений решения у = у(х) уравнения (1) в точках
(узлах сетки).
Рассмотрим схему равноотстоящих узлов шаг сетки. В методе Рунге—Кутта величины
вычисляются по следующей схеме
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48110.png)
Некоторые виды уравнений, интегрируемых в квадратурах
В общем случае, даже зная, что решение уравнения существует, отыскать его довольно трудно. Однако существуют некоторые виды дифференциальных уравнений, методы получения решений которых особенно просты (при помощи интегралов от элементарных функций). Рассмотрим некоторые из них.
Уравнения с разделяющимися переменными
Уравнение вида
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48115.png)
называется дифференциальным уравнением с разделенными переменными. Здесь f1(y), f2(x) — известные непрерывные функции своих аргументов.
Покажем, как найти решение этого уравнения. Пусть — первообразные функции
соответственно. Равенство (1) равносильно тому, что дифференциалы этих функций должны совпадать
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48128.png)
Отсюда следует, что
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48129.png)
где С — произвольная постоянная.
Разрешая последнее уравнение (2) относительно у, получим функцию (может быть, и не одну)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48132.png)
которая обращает уравнение (1) в тождество и значит, является его решением.
Например,
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48140.png)
— уравнение с разделенными переменными. Записав его в виде
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48141.png)
и интегрируя обе части, найдем общий интеграл данного уравнения:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48144.png)
Уравнение вида
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48147.png)
в котором коэффициенты при дифференциалах распадаются на множители, зависящие только от x и только от у, называется дифференциальным уравнением с разделяющимися переменными, так как путем деления на оно приводится к уравнению с разделенными переменными
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48153.png)
Пример:
Проинтегрировать уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48158.png)
Деля обе част уравнения на приведем его к виду
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48172.png)
Интегрируя обе части полученного равенства, найдем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48174.png)
Заметим, что деление на может привести к потере решений, обращающих в нуль произведение
.
Например, разделяя переменные в уравнении
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48189.png)
а после интегрирования —
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48191.png)
откуда
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48193.png)
(здесь С может принимать как положительные, так и отрицательные значения, но При делении на у потеряно решение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48201.png)
которое может быть включено в общее решение у = Сх, если постоянной С разрешить принимать значение С = 0.
Если считать переменные х и у равноправными, то уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48203.png)
теряющее смысл при х = 0, надо дополнить уравнением
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48205.png)
которое имеет очевидное решение х = 0.
В общем случае наряду с дифференциальным уравнением
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48240.png)
следует рассматривать уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48243.png)
используя уравнение (4′) там, где уравнение (4) не имеет смысла, а уравнение (4′) имеет смысл.
Некоторые дифференциальные уравнения путем замены переменных могут быть приведены к уравнениям с разделяющимися переменными. Например, уравнение вида
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48249.png)
где f(x) — непрерывная функция своего аргумента, a, b, с — постоянные числа, подстановкой z = ах + by + с преобразуется в дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48253.png)
После интегрирования получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48255.png)
Заменяя в последнем соотношении z на ах + by + с, найдем общий интеграл уравнения (5).
Пример:
Проинтегрировать уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48258.png)
Положим z = x + y, тогда
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48262.png)
Интегрируя, находим или
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48263.png)
Подставляя вместо z величину х + у, получаем общее решение данного уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48265.png)
Пример:
Известно, что скорость радиоактивного распада пропорциональна количеству х еще не распавшегося вещества. Найти зависимость х от времени t, если в начальный момент имелось
вещества.
Дифференциальное уравнение процесса
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48346.png)
Здесь к > 0 — постоянная распада — предполагается известной, знак «-» указывает на уменьшение х при возрастании t. Разделяя переменные в уравнении (») и интегрируя, получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48348.png)
Учитывая начальное условие находим, что
поэтому
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48353.png)
Любой процесс (не только радиоактивный распад), при котором скорость распада пропорциональна количеству еще не прореагировавшего вещества, описывается уравнением (*). Уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48354.png)
отличающееся лишь знаком правой части от уравнения (*), описывает лавинообразный процесс размножения, например «размножение» нейтронов в цепных ядерных реакциях или размножение бактерий в предположении, что скорость их размножения пропорциональна наличному числу бактерий. Решение уравнения (»»»), удовлетворяющее условию имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48357.png)
и в отличие от решения уравнения (**) возрастает с возрастанием t. Уравнения (*) и (***) можно объединить в одно
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48359.png)
которое дает простейшую математическую модель динамики популяций (совокупности особей того или иного вида растительных или животных Организмов). Пусть y(t) — число членов популяции в момент времени t. Если предположить, что скорость изменения популяции пропорциональна величине популяции, то мы приходим к уравнению (****). Положим k=m-n, где m — коэффициент относительной скорости рождаемости, a n — коэффициент относительной скорости умирания. Тогда к > 0 при m > n и k < 0 при m < n. Если в момент t = 0 величина популяции равна Yо, то уравнение (****) приводит к экспоненциальному закону изменения популяции
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48363.png)
при к < 0 имеем
Предположение, что величины m и n являются постоянными, не выполняется для больших популяций. Действительно, большое число членов популяции приводит к уменьшению соответствующих ресурсов, что снижает скорость рождаемости и увеличивает скорость умирания. Это можно задать простейшими законами
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48366.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48368.png)
Тогда
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48369.png)
где
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48371.png)
Уравнение динамики популяции в этой модели имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48372.png)
Это так называемое логистическое уравнение — фундаментальное уравнение в демографии и в математической теории экологии. Оно применяется в математической теории распространения слухов, болезней и других проблемах физиологии и социологии. Разделяя переменные в последнем уравнении, получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48373.png)
и далее
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48374.png)
Потенцируя
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48375.png)
и выражая у через t, окончательно получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48376.png)
Считая, что найдем уравнение логистической кривой
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48379.png)
При а > 0 и А > 0 получаем, что Логистическая кривая содержит два параметра А и а. Для их определения надо иметь два дополнительных значения y(t) при каких-то t1 и t2.
Уравнения, однородные относительно x и у
Функция f(x, у) называется однородной функцией n-го измерения относительно переменных х и у, если при любом допустимом t справедливо тождество
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48384.png)
Например, для функции
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48385.png)
так что — однородная функция относительно переменных x и у второго измерения.
Для функции
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48389.png)
имеем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48391.png)
так что есть однородная функция нулевого измерения. Дифференциальное уравнение первого порядка
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48394.png)
называется однородным относительно х и у, если функция f(x, у) есть однородная функция нулевого измерения относительно переменных х и у.
Пусть имеем дифференциальное уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48396.png)
однородное относительно переменных х и у. Положив в тождестве f(tx, ty) = f(x, у), получим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48402.png)
т. е. однородная функция нулевого измерения зависит только от отношения аргументов. Обозначая видим, что однородное относительно переменных х и у дифференциальное уравнение всегда можно представить в виде
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48405.png)
При произвольной непрерывной функции переменные не разделяются. Введем новую искомую функцию
формулой
Подставляя выражение
в уравнение (6), получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48418.png)
Деля обе части последнего равенства на и интегрируя, находим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48422.png)
Заменяя здесь и на его значение получаем общий интеграл уравнения (6).
Пример:
Проинтегрировать уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48433.png)
Имеем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48435.png)
Положим и уравнение преобразуется к виду
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48440.png)
Интегрируя, найдем или
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48443.png)
Пример:
Найти форму зеркала, собирающего пучок параллельно падающих на него лучей в одну точку.
Прежде всего, зеркало должно иметь форму поверхности вращения, так как только для поверхности вращения все нормали к поверхности проходят через ось вращения.
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48467.png)
Выберем прямоугольную декартову систему координат так, чтобы лучи были параллельны оси Ох и чтобы точкой, в которой собирались бы отраженные лучи, явилось бы начало координат. Найдем форму сечения зеркала плоскостью хОу. Пусть уравнение сечения есть (рис.6). В точке М (х,у) падения луча L на зеркало проведем касательную BN к сечению и обозначим ее угол с осью Ох через а. Пусть N — точка пересечения этой касательной с осью Ох. По закону отражения углы NMO и BML равны. Нетрудно видеть, что угол МОР равен 2а. Так как
то во всякой точке кривой
выполняется соотношение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48460.png)
— дифференциальное уравнение, определяющее требуемый ход луча. Разрешая это уравнение относительно производной, получаем два однородных уравнения:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48461.png)
Первое из них путем замены преобразуется к виду
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48464.png)
или
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48477.png)
интегрируя, найдем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48482.png)
Потенцируя последнее соотношение и заменяя и через после несложных преобразований имеем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48486.png)
Полученное уравнение в плоскости хОу определяет семейство парабол, симметричных относительно оси Ох. фокусы всех этих парабол совпадают с началом координат. Фиксируя С и вращая параболу вокруг оси Ох, получаем параболоид вращения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48488.png)
Таким образом, зеркало в виде параболоида вращения решает поставленную задачу. Это свойство используется в прожекторах.
Замечание:
Если
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48492.png)
то уравнение (6) имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48493.png)
и интегрируется разделением переменных. Его общее решение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48494.png)
Если и обращается в нуль при значении
то существует также решение
или
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48514.png)
(прямая, проходящая через начало координат).
Рассмотрим уравнения, приводящиеся к однородным. Уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48516.png)
где — постоянные числа, при
является однородным. Пусть теперь по крайней мере одно из чисел
отлично от нуля. Здесь следует различать два случая.
- Определитель
отличен от нуля. Введем новые переменные
по формулам
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48532.png)
где h и k — пока не определенные постоянные. Тогда Уравнение (7) преобразуется при этом в уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48537.png)
Если выбрать h и k как решения системы линейных алгебраических уравнений
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48540.png)
то получим однородное относительно уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48556.png)
Заменяя в его общем интеграле найдем общий интеграл уравнения (7).
2. Определитель равен нулю. Система (8) в общем случае не имеет решения и изложенный выше метод неприменим. Но в этом случае
т. е. уравнение (7) имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48570.png)
и приводится к уравнению с разделяющимися переменными подстановкой z = ax+by. Аналогичными приемами интегрируется уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48571.png)
где f(w) — непрерывная функция своего аргумента.
Линейные дифференциальные уравнения
Линейным дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение, линейное относительно неизвестной функции и ее производной. В общем случае оно имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48574.png)
где коэффициенты уравнения А(х) и В(х) и его правая часть f(x) считаются известными функциями, заданными на некотором интервале
Если то это уравнение называется однородным, в противном случае оно называется неоднородным. Считая
и деля обе части уравнения (9) на А(х), приведем (9) к виду
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48585.png)
где
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48587.png)
Теорема:
Если функции р(х) и q(x) непрерывны на отрезке то уравнение (10) всегда имеет единственное решение, удовлетворяющее начальному условию
точка
принадлежит полосе
Разрешая уравнение (10) относительно у’, приведем его к виду
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48613.png)
где правая часть
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48616.png)
удовлетворяет всем условиям теоремы 1: она непрерывна по совокупности переменных х и у и имеет ограниченную частную производную
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48618.png)
в указанной полосе. Отсюда следует справедливость утверждения.
Линейное однородное уравнение, соответствующее уравнению (10), имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48622.png)
Оно интегрируется разделением переменных:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48623.png)
или
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48625.png)
При делении на у потеряно решение однако оно может быть включено в найденное семейство решений (12), если считать, что С может принимать значение, равное нулю. Формула (12) дает общее решение уравнения (11) в указанной выше полосе
Для интегрирования неоднородного линейного уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48634.png)
может быть применен так называемый метод вариации постоянной. Он основан на том, что общее решение уравнения (10) равно сумме общего решения уравнения (11) и какого-либо частного решения уравнения (10)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48638.png)
Подставляя в левую часть (11) вместо у сумму получим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48643.png)
С другой стороны, разность двух частных решений уравнения (10) является решением однородного уравнения (11)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48648.png)
Поэтому сначала интегрируем соответствующее однородное уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48654.png)
общее решение которого имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48656.png)
где С — произвольная постоянная. Решение неоднородного уравнения (10) ищем в виде
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48661.png)
где С(х) — новая неизвестная функция.
Вычисляя производную и подставляя значения
и у в исходное уравнение (10), получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48669.png)
где С — новая произвольная постоянная интегрирования. Следовательно,
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48673.png)
Это есть общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения (10).
В формуле (14) общего решения неопределенные интегралы можно заменить определенными интегралами с переменным верхним пределом:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48676.png)
Здесь поэтому общее решение уравнения (10) можно записать в виде
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48680.png)
где роль произвольной постоянной играет начальное значение искомой функции у(х).
Формула (15) является общим решением уравнения (10) в форме Коши. Отсюда следует, что если р(х) и q(х) определены и непрерывны в интервале то и решение у(х) уравнения (10) с любыми начальными данными
будет непрерывным и даже непрерывно дифференцируемым при всех конечных значениях х, так что интегральная кривая, проходящая через любую точку
будет гладкой кривой в интервале
Пример:
Проинтегрировать уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48704.png)
Однородное уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48706.png)
соответствующее данному, проинтегрируем, разделяя переменные:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48707.png)
Решение исходного уравнения будем искать в виде
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48709.png)
где С(х) — неизвестная функция. Находя и подставляя
и у в (*), последовательно получаем:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48714.png)
где С — постоянная интегрирования. Из формулы (**) находим общее решение уравнения (*)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48718.png)
Частное решение неоднородного уравнения (*) легко усматривается. Вообще, если удается «угадать» частное решение линейного неоднородного уравнения, то разыскание его общего решения значительно упрощается.
Пример:
Рассмотрим дифференциальное уравнение, описывающее изменение силы тока при замыкании цепи постоянного электрического тока.
Если R — сопротивление цепи, Е — внешняя ЭДС, то сила тока I = I(t) постепенно возрастает от значения, равного нулю, до конечного стационарного значения
Пусть L — коэффициент самоиндукции цепи, роль которой такова, что при всяком изменении силы тока в цепи появляется электродвижущая сила, равная и направленная противоположно внешней ЭДС. На основании закона Ома, по которому в каждый момент t произведение силы тока на сопротивление равно фактически действующей ЭДС, получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48731.png)
Уравнение (*) есть линейное неоднородное уравнение относительно I(t). Нетрудно видеть, что его частным решением является функция
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48736.png)
Общее решение соответствующего однородного уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48738.png)
откуда общее решение неоднородного уравнения (*):
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48741.png)
При t = 0 имеем I(0) = 0, поэтому так что окончательно
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48747.png)
Отсюда видно, что сила тока при включении асимптотически приближается при к своему стационарному значению
Линейное неоднородное дифференциальное уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48756.png)
может быть проинтегрировано также следующим приемом. Будем искать решение у(х) уравнения (10) в виде
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48759.png)
где — неизвестные функции, одна из которых, например v(x), может быть выбрана произвольно. Подставляя у(х) в форме (16) в уравнение (10), после элементарных преобразований получим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48764.png)
Выберем в качестве v(x) любое частное решение уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48767.png)
Тогда в силу (17) для u(х) получим уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48769.png)
которое без труда интегрируется в квадратурах. Зная , найдем решение у(х) уравнения (10).
Пример:
Найти общее решение уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48772.png)
Будем искать решение у(х) данного линейного неоднородного уравнения в виде
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48775.png)
Подставляя в исходное уравнение, получим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48779.png)
Определим функцию v(x) как решение уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48781.png)
Разделяя переменные, найдем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48782.png)
Выберем любое частное решение, например, отвечающее С = 1. Тогда из (17′) получим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48786.png)
откуда
Для общего решения исходного уравнения получаем выражение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-48793.png)
Преимущество метода вариации постоянной заключается в том, что он переносится на линейные неоднородные дифференциальные уравнения высшего порядка.
Уравнение Бернулли
Некоторые дифференциальные уравнения путем замены переменных могут быть сведены к линейным. К числу таких уравнений относится уравнение Бернулли
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52657.png)
Уравнение это предложено Я. Бернулли в 1695 г., метод решения опубликовал И. Бернулли в 1697 г.
При а = 1 получаем однородное линейное уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52659.png)
При а = 0 — неоднородное линейное уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52660.png)
Поэтому будем предполагать, что (для а нецелого считаем, что у > 0).
Подстановкой уравнение Бернулли приводится к линейному уравнению относительно функции z(x).
Однако уравнение Бернулли можно проинтегрировать сразу методом вариации постоянной. Это делается так. Сначала интегрируем уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52668.png)
Его общее решение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52670.png)
Решение уравнения Бернулли будем искать в виде
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52672.png)
где С(х) — новая неизвестная функция. Подставляя это выражение для у(х) в уравнение Бернулли, получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52673.png)
— уравнение с разделяющимися переменными относительно С(х). Интегрируя это уравнение,находим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52675.png)
где С — постоянная интегрирования. Тогда из формулы (*) получаем общий интеграл уравнения Бернулли
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52676.png)
Замечание:
При а > 0 уравнение Бернулли имеет очевидное решение
Для интегрирования уравнения Бернулли
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52679.png)
можно также воспользоваться подстановкой
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52683.png)
где в качестве v(x) берется любое нетривиальное решение уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52684.png)
а функция u(х) определяется как решение уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52686.png)
Пример:
Найти решение уравнения Бернулли
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52687.png)
Ищем решение у(х) уравнения в виде
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52689.png)
Подставляя в исходное уравнение, получим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52692.png)
Выберем в качестве v(x) какое-нибудь ненулевое решение уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52694.png)
и проинтегрируем его,
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52695.png)
Поскольку нас интересует какое угодно частное решение, положим С = 1, т.е. возьмем Тогда для и(х) получим уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52702.png)
интегрируя которое, найдем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52703.png)
Общее решение у(х) исходного уравнения определится формулой
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52706.png)
Уравнения в полных дифференциалах
Уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52708.png)
называется уравнением в полных дифференциалах, если левая часть уравнения представляет собой полный дифференциал некоторой функции u(х, у) двух независимых переменных х и у, т. е.
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52709.png)
В этом случае u(х, у) = С будет общим интегралом дифференциального уравнения (18).
Будем предполагать, что функции М(х, у) и N(x, у) имеют непрерывные частные производные соответственно по у и по x в некоторой односвязной области D на плоскости хОу.
Теорема:
Для того чтобы левая часть М(х, у) dx + N(x, у) dy уравнения (18) была полным дифференциалом некоторой функции и(х, у) двух независимых переменных х и у, необходимо и достаточно, чтобы выполнялось тождество
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52714.png)
Необходимость:
Предположим, что левая часть уравнения (18) есть полный дифференциал некоторой функции u(х, у), т. е.
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52717.png)
тогда Дифференцируем первое соотношение по у, а второе по х:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52719.png)
Отсюда, в силу равенства смешанных производных, вытекает тождество
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52722.png)
Необходимость (19) доказана.
Достаточность:
Покажем, что условие (19) является и достаточным, а именно, предполагая его выполненным, найдем функцию u(х, у) такую, что du = M(x, у) dx + N(x, у) dy, или, что то же,
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52725.png)
Найдем сначала функцию u(х, у), удовлетворяющую первому условию (20). Интегрируя это равенство по х (считаем у постоянной), получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52727.png)
где — произвольная функция от у.
Подберем так, чтобы частная производная по у от функции и, определяемой формулой (21), была равна N(x,y). Такой выбор функции
при условии (19) всегда возможен. В самом деле, из (21) имеем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52731.png)
Приравняв правую часть полученного равенства к N(x, у), найдем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52732.png)
Левая часть последнего равенства не зависит от x. Убедимся в том, что при условии (20) в его правую часть также не входит х. Для этого покажем, что частная производная по x от правой части (22) тождественно равна нулю. Имеем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52736.png)
Но
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52739.png)
и, следовательно,
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52741.png)
Теперь, интегрируя равенство (22) по у, получим, что
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52743.png)
где С — постоянная интегрирования. Подставляя найденное значение для в формулу (21), получим искомую функцию
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52746.png)
полный дифференциал которой, как нетрудно проверить, равен
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52748.png)
Приведенный прием построения функции u(х, у) составляет метод интегрирования уравнения (18), левая часть которого есть полный дифференциал.
Пример:
Проверить, что уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52750.png)
является уравнением в полных дифференциалах, и проинтегрировать его.
В данном случае
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52752.png)
откуда
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52753.png)
Следовательно, уравнение (*) есть уравнение в полных дифференциалах. Теперь находим и (см. (21)):
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52754.png)
Находя от функции и из (**) и приравнивая
функции
получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52758.png)
откуда и, следовательно,
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52760.png)
Подставив найденное выражение для i в (**), найдем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52763.png)
Таким образом,
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52764.png)
— общий интеграл исходного уравнения.
Иногда можно найти такую функцию что
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52766.png)
будет полным дифференциалом, хотя М dx + N dy может им и не быть. Такую функцию называют интегрирующим множителем. Можно показать, что для уравнения первого порядка
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52771.png)
при определенных условиях на функции М(х, y) и N(x, у) интегрирующий множитель всегда существует, но отыскание его из условия
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52772.png)
в общем случае сводится к интегрированию уравнения в частных производных, что составляет, как правило, задачу еще более трудную.
Задача:
Найти интегрирующий множитель для линейного дифференциального уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52773.png)
Указание. Искать множитель в виде
Уравнение Риккати
Уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52777.png)
где q(x), р(х), г(х) — известные функции, называется уравнением Риккати. Если р, q, г — постоянные, то оно интегрируется разделением переменных:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52779.png)
В случае, когда уравнение (1) оказывается линейным, в случае
— уравнением Бернулли. В общем случае уравнение (1) не интегрируется в квадратурах.
Укажем некоторые свойства уравнения Риккати.
Теорема:
Если известно одно частное решение уравнения Риккати, то его общее решение может быть получено с помощью квадратур.
Пусть известно частное решение уравнения (1), тогда
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52787.png)
Полагая новая искомая функция, в силу тождества (2) получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52789.png)
— уравнение Бернулли, которое интегрируется в квадратурах.
Пример:
Проинтегрировать уравнение Риккати
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52791.png)
если известно его частное решение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52793.png)
Полагая
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52797.png)
для функции z(x) получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52798.png)
решением исходного уравнения будет функция
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52800.png)
Частным случаем уравнения (1) является специальное уравнение Риккати:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52802.png)
где a, b, а — постоянные. При а = 0 имеем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52803.png)
и уравнение интегрируется разделением переменных.
При а = -2 получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52805.png)
Полагая — новая неизвестная функция, находим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52809.png)
Это уравнение однородное относительно х, z. Оно интегрируется в квадратурах.
Кроме а = 0 и а = -2 существует еще бесконечное множество других значений а, при которых уравнение Риккати (3) интегрируется в квадратурах. Они задаются формулой
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52812.png)
При всех других значениях а решение уравнения Риккати (3) не выражается в квадратурах.
Замечание. Если же положить в уравнении (3)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52813.png)
где u = u(x) — новая неизвестная функция, то придем к уравнению второго порядка
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52815.png)
решение которого может быть выражено в функциях Бесселя.
Дифференциальные уравнения, не разрешенные относительно производной
Рассмотрим теперь общий случай уравнения первого порядка
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52819.png)
не разрешенного относительно производной.
Уравнения, относящиеся к этому классу, весьма разнообразны, и поэтому в общем случае становится невозможным делать выводы о существовании и единственности решения, даже накладывая достаточно сильные ограничения на участвующие в уравнении функции (ограниченность, гладкость, монотонность и т. п.). Например, уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52820.png)
вообще не имеет действительных решений. Для уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52821.png)
решения суть прямые так что через каждую точку плоскости хОу проходят две взаимно перпендикулярные интегральные линии. Поле интегральных кривых уравнения
получается наложением полей уравнений
Если уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52826.png)
удается разрешить относительно производной у’, то получаются уравнения вида
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52828.png)
которые иногда могут быть проинтегрированы изложенными выше методами.
Введем понятие общего решения (интеграла) для уравнения (1). Допустим, что это уравнение в окрестности точки может быть разрешено относительно производной, т. е. распадается на уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52830.png)
и пусть каждое из этих уравнений имеет общее решение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52831.png)
или общий интеграл
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52833.png)
Совокупность общих решений (2) (или общих интегралов (3)) будем называть общим решением (общим интегралом) уравнения (1). Так, уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52834.png)
распадается на два:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52836.png)
Их общие решения у = х + С, у = -х + С в совокупности составляют общее решение исходного уравнения . Общий интеграл этого уравнения часто записывают в виде
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52841.png)
Однако не всегда уравнение (1) легко разрешимо относительно у’ и еще реже полученные после этого уравнения интегрируются в квадратурах. Рассмотрим некоторые методы интегрирования уравнения (1).
Пусть уравнение (1) имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52853.png)
причем существует по крайней мере один действительный корень этого уравнения. Так как это уравнение не содержит
— постоянная. Интегрируя уравнение
получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52865.png)
Но является корнем уравнения; следовательно,
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52872.png)
— интеграл рассматриваемого уравнения.
Например, уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52874.png)
имеет интеграл
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52875.png)
2. Пусть уравнение (1) имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52878.png)
Если это уравнение трудно разрешить относительно у’, то бывает целесообразно ввести параметр t и заменить уравнение (5) двумя:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52880.png)
откуда
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52884.png)
Следовательно, искомые интегральные кривые определяются уравнениями в параметрической форме
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52885.png)
Пример:
Проинтегрировать уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52888.png)
Полагаем,
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52896.png)
Далее находим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52904.png)
и параметрические уравнения искомых интегральных кривых:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52906.png)
Если уравнение (5) легко разрешимо относительно у, то обычно за параметр берут у’. Действительно, если то, полагая у’ = р, получаем
так что
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52914.png)
откуда
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52916.png)
Параметрические уравнения интефальных кривых:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52918.png)
Исключая параметр р, получаем общий интеграл
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52920.png)
уравнения (5).
Пример:
Проинтегрировать уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52921.png)
Разрешим уравнение относительно у:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52923.png)
Положим у’ = р, тогда
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52927.png)
Далее имеем:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52928.png)
Таким образом, находим параметрические уравнения интегральных кривых
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52930.png)
Параметр р здесь легко исключить. В самом деле, из первого уравнения системы находим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52932.png)
Первую часть второго уравнения преобразуем следующим образом:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52935.png)
— общее решение данного дифференциального уравнения.
3. Пусть уравнение (1) имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52946.png)
Если это уравнение трудно разрешить относительно у’, то, как и в предыдущем случае, целесообразно ввести параметр t и заменить уравнение (6) двумя:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52948.png)
Следовательно, интегральные кривые уравнения (6) определяются в параметрической форме уравнениями
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52949.png)
Если уравнение (6) легко разрешимо относительно х:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52952.png)
то в качестве параметра удобно выбрать откуда
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52957.png)
Пример:
Решить уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52958.png)
Положим у’ = р. Тогда
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52960.png)
Далее имеем:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52961.png)
В параметрической форме семейство интегральных кривых данного уравнения определяют уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52964.png)
Уравнение Лагранжа
Уравнением Лагранжа называется дифференциальное уравнение вида
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52966.png)
линейное относительно х и у. Здесь — известные функции.
Введя параметр получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52975.png)
— соотношение, связывающее переменные х, у и параметр р. Чтобы получить второе соотношение, нужное для определения х и у как функций параметра р, продифференцируем (8) по х:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52977.png)
или
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52983.png)
Уравнение (10) линейно относительно х и и, следовательно, легко интегрируется, например, методом вариации постоянной. Получив общее решение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52991.png)
уравнения (10) и присоединив к нему уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52994.png)
получим параметрические уравнения искомых интегральных кривых.
При переходе от уравнения (9) к (10) пришлось делить на . При этом теряются решения, для которых р постоянно, а значит,
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52997.png)
Считая р постоянным, замечаем, что уравнение (9) удовлетворяется лишь в том случае, если р является корнем уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-52999.png)
Итак, если уравнение имеет действительные корни
то к найденным выше решениям уравнения Лагранжа надо еще добавить решения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53004.png)
— это прямые линии.
Уравнение Клеро
Уравнением Клеро называется дифференциальное уравнение вида
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53006.png)
Полагая у’ = р, получаем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53010.png)
Дифференцируя по х, имеем
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53011.png)
откуда или и, значит, р = С, или
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53014.png)
В первом случае, исключая р, найдем семейство прямых
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53016.png)
— общее решение уравнения Клеро. Оно находится без квадратур и представляет собой однопараметрическое семейство прямых. Во втором случае решение определяется уравнениями
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53025.png)
Можно показать, что, как правило, интегральная кривая (12) является огибающей найденного семейства прямых.
Пример:
Решить уравнение Клеро
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53027.png)
Общее решение данного уравнения видно сразу:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53029.png)
Другое (особое) решение определяется уравнениями
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53030.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53032.png)
Исключая параметр р, находим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53031.png)
— огибающую прямых
Для уравнения вида
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53037.png)
через некоторую точку вообще говоря, проходит не одна, а несколько интегральных кривых, так как, разрешая уравнение
относительно у’, мы, как правило, получаем не одно, а несколько действительных значений
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53044.png)
и если каждое из уравнений в окрестности точки
удовлетворяет условиям теоремы существования и единственности решения, то для каждого из этих уравнений найдется единственное решение, удовлетворяющее условию
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53057.png)
Поэтому свойство единственности решения уравнения , удовлетворяющего условию
обычно понимается в том смысле, что через данную точку
по данному направлению проходит не более одной интегральной кривой уравнения
.
Например, для решений уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53065.png)
свойство единственности в этом смысле всюду выполнено, поскольку через каждую точку плоскости хОу проходят две интегральные кривые, но по различным направлениям. Для уравнения Клеро
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53068.png)
(см. пример 4) через точку (0,0) проходят также две интегральные линии: прямая
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53069.png)
входящая в общее решение этого уравнения, и парабола
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53071.png)
причем эти линии имеют в точке (0,0) одно и то же направление:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53073.png)
Таким образом, в точке (0,0) свойство единственности нарушается.
Теорема:
Пусть имеем уравнение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53092.png)
и пусть в некоторой окрестности точки — один из действительных корней уравнения
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53099.png)
функция удовлетворяет условиям:
1) непрерывна по всем аргументам;
2) производная существует и отлична от нуля;
3) существует ограниченная производная
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53116.png)
Тогда найдется отрезок на котором существует единственное решение у = у(х) уравнения
удовлетворяющее условию
для которого
Геометрические вопросы, связанные с дифференциальными уравнениями 1-го порядка. Ортогональные траектории
Общее решение дифференциального уравнения 1-го порядка определяет семейство плоских кривых, зависящее от одного параметра С.
Поставим теперь в некотором смысле обратную задачу: дано однопараметрическое семейство кривых
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53145.png)
и требуется составить дифференциальное уравнение, для которого будет общим решением.
Итак, пусть дано соотношение
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53149.png)
где С — параметр. Дифференцируя (1) по х, получим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53152.png)
Если правая часть (2) уже не содержит С, то формула (2) будет представлять дифференциальное уравнение семейства кривых (1). Например, если будет дифференциальным уравнением семейства прямых у = х + С.
Пусть теперь правая часть (2) содержит С. Разрешая соотношение (1) относительно С, определим С как функцию х и у:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53162.png)
Подставляя это выражение для С в формулу (2), получим дифференциальное уравнение 1-го порядка
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53165.png)
Нетрудно убедиться в том, что представляет собой общее решение уравнения (4).
Если соотношение между величинами х, у и С задано в виде
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53186.png)
то, дифференцируя его по х, получим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53188.png)
Исключая С из соотношений (5) и (6), приходим к уравнению
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53190.png)
Можно показать, что (5) является общим интегралом уравнения (7).
Ортогональные траектории
В ряде прикладных вопросов встречается следующая задача. Дано семейство кривых
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53192.png)
Требуется найти такое семейство
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53194.png)
чтобы каждая кривая семейства Ф(х, у, С) = 0, проходящая через точку (х, у), пересекалась в этой точке кривой семейства под прямым углом, т. е. чтобы касательные к кривым семейства
в точке (х, у) были ортогональны (рис.8). Семейство
называется семейством ортогональных траекторий к
(и наоборот). Если, например, кривые семейства Ф = 0 — силовые линии некоторого силового поля, то ортогональные траектории — эквипотенциальные линии.
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53225.png)
Аналитически это означает следующее. Если
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53216.png)
есть дифференциальное уравнение семейства
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53218.png)
то дифференциальное уравнение траекторий, ортогональных к семейству Ф = 0, имеет вид
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53220.png)
(угловые коэффициенты касательных к кривым семейств в каждой точке должны быть связаны условием ортогональности
Таким образом, чтобы найти ортогональные траектории к семейству 0, надо составить дифференциальное уравнение
этого семейства и заменить в нем
Интегрируя полученное таким образом уравнение, найдем семейство ортогональных траекторий.
Пример:
Найти ортогональные траектории семейства
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53252.png)
окружностей с центром в начале координат.
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53269.png)
Составляем дифференциальное уравнение семейства (8). Дифференцируя (8) по х, получим
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53257.png)
Это дифференциальное уравнение данного семейства. Заменив в нем найдем дифференциальное уравнение семейства ортогональных траекторий:
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53262.png)
Интегрируя последнее уравнение, получаем, что искомыми ортогональными траекториями будут полупрямые (рис. 9)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-53265.png)
Дополнение к дифференциальным уравнениям первого порядка
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_1-199.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_2-191.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_3-168.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_4-138.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_5-110.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_6-85.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_7-66.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_8-54.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_9-47.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_10-39.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_11-36.png)
![Дифференциальные уравнения первого порядка](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_12-32.png)
Смотрите также:
Семейство функций | Некоторые дифференциальные уравнения, встречающиеся в механике |
Основные определения | Движение точки на плоскости. Система дифференциальных уравнений |
Решение заданий и задач по предметам:
Дополнительные лекции по высшей математике:
- Тождественные преобразования алгебраических выражений
- Функции и графики
- Преобразования графиков функций
- Квадратная функция и её графики
- Алгебраические неравенства
- Неравенства
- Неравенства с переменными
- Прогрессии в математике
- Арифметическая прогрессия
- Геометрическая прогрессия
- Показатели в математике
- Логарифмы в математике
- Исследование уравнений
- Уравнения высших степеней
- Уравнения высших степеней с одним неизвестным
- Комплексные числа
- Непрерывная дробь (цепная дробь)
- Алгебраические уравнения
- Неопределенные уравнения
- Соединения
- Бином Ньютона
- Число е
- Непрерывные дроби
- Функция
- Исследование функций
- Предел
- Интеграл
- Двойной интеграл
- Тройной интеграл
- Интегрирование
- Неопределённый интеграл
- Определенный интеграл
- Криволинейные интегралы
- Поверхностные интегралы
- Несобственные интегралы
- Кратные интегралы
- Интегралы, зависящие от параметра
- Квадратный трехчлен
- Производная
- Применение производной к исследованию функций
- Приложения производной
- Дифференциал функции
- Дифференцирование в математике
- Формулы и правила дифференцирования
- Дифференциальное исчисление
- Дифференциальные уравнения
- Дифференциальные уравнения высших порядков
- Дифференциальные уравнения в частных производных
- Тригонометрические функции
- Тригонометрические уравнения и неравенства
- Показательная функция
- Показательные уравнения
- Обобщенная степень
- Взаимно обратные функции
- Логарифмическая функция
- Уравнения и неравенства
- Положительные и отрицательные числа
- Алгебраические выражения
- Иррациональные алгебраические выражения
- Преобразование алгебраических выражений
- Преобразование дробных алгебраических выражений
- Разложение многочленов на множители
- Многочлены от одного переменного
- Алгебраические дроби
- Пропорции
- Уравнения
- Системы уравнений
- Системы уравнений высших степеней
- Системы алгебраических уравнений
- Системы линейных уравнений
- Системы дифференциальных уравнений
- Арифметический квадратный корень
- Квадратные и кубические корни
- Извлечение квадратного корня
- Рациональные числа
- Иррациональные числа
- Арифметический корень
- Квадратные уравнения
- Иррациональные уравнения
- Последовательность
- Ряды сходящиеся и расходящиеся
- Тригонометрические функции произвольного угла
- Тригонометрические формулы
- Обратные тригонометрические функции
- Теорема Безу
- Математическая индукция
- Показатель степени
- Показательные функции и логарифмы
- Множество
- Множество действительных чисел
- Числовые множества
- Преобразование рациональных выражений
- Преобразование иррациональных выражений
- Геометрия
- Действительные числа
- Степени и корни
- Степень с рациональным показателем
- Тригонометрические функции угла
- Тригонометрические функции числового аргумента
- Тригонометрические выражения и их преобразования
- Преобразование тригонометрических выражений
- Комбинаторика
- Вычислительная математика
- Прямая линия на плоскости и ее уравнения
- Прямая и плоскость
- Линии и уравнения
- Прямая линия
- Уравнения прямой и плоскости в пространстве
- Кривые второго порядка
- Кривые и поверхности второго порядка
- Числовые ряды
- Степенные ряды
- Ряды Фурье
- Преобразование Фурье
- Функциональные ряды
- Функции многих переменных
- Метод координат
- Гармонический анализ
- Вещественные числа
- Предел последовательности
- Аналитическая геометрия
- Аналитическая геометрия на плоскости
- Аналитическая геометрия в пространстве
- Функции одной переменной
- Высшая алгебра
- Векторная алгебра
- Векторный анализ
- Векторы
- Скалярное произведение векторов
- Векторное произведение векторов
- Смешанное произведение векторов
- Операции над векторами
- Непрерывность функций
- Предел и непрерывность функций нескольких переменных
- Предел и непрерывность функции одной переменной
- Производные и дифференциалы функции одной переменной
- Частные производные и дифференцируемость функций нескольких переменных
- Дифференциальное исчисление функции одной переменной
- Матрицы
- Линейные и евклидовы пространства
- Линейные отображения
- Дифференциальные теоремы о среднем
- Теория устойчивости дифференциальных уравнений
- Функции комплексного переменного
- Преобразование Лапласа
- Теории поля
- Операционное исчисление
- Системы координат
- Рациональная функция
- Интегральное исчисление
- Интегральное исчисление функций одной переменной
- Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных
- Отношение в математике
- Математическая логика
- Графы в математике
- Линейные пространства
- Первообразная и неопределенный интеграл
- Линейная функция
- Выпуклые множества точек
- Система координат