Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Из этого уравнения определим переменную функцию С1(х):

Интегрируя, приобретаем:

Подставляя это значение в исходное уравнение, приобретаем:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение .

Так, мы взяли итог, абсолютно совпадающий с результатом расчета по способу Бернулли.

При выборе способа ответа линейных дифференциальных уравнений направляться руководствоваться простотой интегрирования функций, входящих в исходный интеграл.

Потом разглядим примеры ответа разных дифференциальных уравнений разными способами и сравним результаты.

Пример. Решить уравнение

Сперва приведем данное уравнение к стандартному виду: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Применим взятую выше формулу: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Уравнение Бернулли.

Определение. Уравнением Бернуллиназывается уравнение вида

где P и Q – функции от х либо постоянные числа, а n – постоянное число, не равное 1.

Для решения уравнения Бернулли используют подстановку Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение , благодаря которой, уравнение Бернулли приводится к линейному.

Для этого поделим исходное уравнение на yn.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Применим подстановку, учтя, что Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение .

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Т.е. оказалось линейное уравнение довольно малоизвестной функции z.

Ответ этого уравнения будем искать в виде:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Пример. Решить уравнение

Поделим уравнение на xy2: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Полагаем Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение .

Полагаем Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Произведя обратную подстановку, приобретаем:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Пример. Решить уравнение

Поделим обе части уравнения на

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Полагаем Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Взяли линейное неоднородное дифференциальное уравнение. Разглядим соответствующее ему линейное однородное уравнение:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Полагаем C = C(x) и подставляем полученный итог в линейное неоднородное уравнение, с учетом того, что:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Приобретаем: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Используя обратную подстановку, приобретаем окончательный ответ:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Уравнения в полных дифференциалах (тотальные).

Определение. Дифференциальное уравнение первого порядка вида:

именуется уравнением в полных дифференциалах, в случае, если левая часть этого уравнения представляет собой полный дифференциал некоей функции

Интегрирование для того чтобы уравнения сводится к нахождению функции u, по окончании чего ответ легко находится в виде:

Так, для ответа нужно выяснить:

1) в каком случае левая часть уравнения представляет собой полный дифференциал функции u;

2) как отыскать эту функцию.

В случае, если дифференциальная форма есть полным дифференциалом некоей функции u, то возможно записать:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Т.е. Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение .

Отыщем смешанные производные второго порядка, продифференцировав первое уравнение по у, а второе – по х:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Приравнивая левые части уравнений, приобретаем нужное и достаточное условие того, что левая часть дифференциального уравнения есть полным дифференциалом. Это условие кроме этого именуется условием тотальности.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Сейчас разглядим вопрос о нахождении фактически функции u.

Проинтегрируем равенство Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение :

Благодаря интегрирования приобретаем не постоянную величину С, а некую функцию С(у), т.к. при интегрировании переменная у надеется постоянным параметром.

Определим функцию С(у).

Продифференцируем полученное равенство по у.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Откуда приобретаем: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Для нахождения функции С(у) нужно проинтегрировать приведенное выше равенство. Но, перед интегрированием нужно доказать, что функция С(у) не зависит от х. Это условие будет выполнено, в случае, если производная данной функции по х равна нулю.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Сейчас определяем функцию С(у):

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляя результат в выражение для функции u, приобретаем:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Тогда неспециализированный интеграл исходного дифференциального уравнения будет иметь вид:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

направляться подчернуть, что при ответе уравнений в полных дифференциалах не обязательно применять взятую формулу. Ответ может оказаться более компактным, в случае, если способу, которым формула была взята.

Пример. Решить уравнение

Удостоверимся в надежности условие тотальности: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Условие тотальности выполняется, следовательно, исходное дифференциальное уравнение есть уравнением в полных дифференциалах.

Определим функцию u.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

;

Итого,

Находим неспециализированный интеграл исходного дифференциального уравнения:

Уравнения вида y = f(y’) иx = f(y’).

Ответ уравнений, не содержащих в одном случае довода х, а в другом – функции у, ищем в параметрической форме, принимая за параметр производную малоизвестной функции.

Для уравнения первого типа приобретаем: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Делая замену, приобретаем: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

В следствии этих преобразований имеем дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Неспециализированный интеграл в параметрической форме представляется совокупностью уравнений:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Исключив из данной совокупности параметр р, возьмём неспециализированный интеграл и не в параметрической форме.

Для дифференциального уравнения вида x = f(y’) посредством той же аналогичных рассуждений и самой подстановки приобретаем итог:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Уравнения Лагранжа и Клеро.

( Алекси Клод Клеро (1713 – 1765) французский математик

ин. поч. член Петерб. АН )

Определение. Уравнением Лагранжаназывается дифференциальное уравнение, линейное довольно х и у, коэффициенты которого являются функциями от y’.

Для нахождения неспециализированного ответ используется подстановка p = y’.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Дифференцируя это уравнение,c учетом того, что , приобретаем:

В случае, если ответ этого (линейного довольно х) уравнения имеется то неспециализированное ответ уравнения Лагранжа возможно записано в виде:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Определение. Уравнением Клероназывается уравнение первой степени (т.е. линейное) относительно функции и аргумента вида:

По большому счету говоря, уравнение Клеро есть частным случаем уравнения Лагранжа.

С учетом замены , уравнение принимает вид:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Это уравнение имеет два вероятных ответы:

либо

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение В первом случае:

Видно, что неспециализированный интеграл уравнения Клеро является семейством прямых линий.

Во втором случае ответ в параметрической форме выражается совокупностью уравнений:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Кроме параметр р, приобретаем второе ответ F(x, y) = 0. Это решение не содержит произвольной постоянной и не получено из неспециализированного ответа, следовательно, не есть частным ответом.

Это решение будет являться особенным интегралом. ( См. Особенное ответ. )

Потом разглядим примеры ответа разных типов дифференциальных уравнений первого порядка.

Пример. Решить уравнение с заданными начальными условиями.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Это линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка.

Решим соответствующее ему однородное уравнение.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Для неоднородного уравнения неспециализированное ответ имеет форму:

Дифференцируя, приобретаем:

Для нахождения функции С(х) подставляем полученное значение в исходное дифференциальное уравнение:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Итого, неспециализированное ответ:

C учетом начального условия определяем постоянный коэффициент C.

Совсем приобретаем:

Для проверки подставим полученный итог в исходное дифференциальное уравнение: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение правильно

Ниже продемонстрирован график интегральной кривой уравнения.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Пример. Отыскать неспециализированный интеграл уравнения .

Это уравнение с разделяющимися переменными.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Неспециализированный интеграл имеет форму:

Выстроим интегральные кривые дифференциального уравнения при разных значениях С.

С = — 0,5 С = -0,02 С = -1 С = -2

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

С = 0,02 С = 0,5 С = 1 С = 2

Пример. Отыскать ответ дифференциального уравнения, удовлетворяющее заданным начальным условиям.

Это уравнение с разделяющимися переменными.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение Неспециализированное ответ имеет форму: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Отыщем частное ответ при заданном начальном условии у(0) = 0.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение Совсем приобретаем: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Пример. Решить прошлый пример вторым методом.

Вправду, уравнение возможно рассмотрено как линейное неоднородное дифференциальное уравнение.

Решим соответствующее ему линейное однородное уравнение.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Ответ неоднородного уравнения будет иметь вид: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Тогда Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляя в исходное уравнение, приобретаем:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Итого Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

С учетом начального условия у(0) = 0 приобретаем Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Как видно результаты, полученные при ответе данного дифференциального уравнения разными методами, совпадают.

При ответе дифференциальных уравнений не редкость допустимо выбирать способ ответа, исходя из сложности преобразований.

Пример. Решить уравнение Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение с начальным условием у(0) = 0.

Это линейное неоднородное уравнение. Решим соответствующее ему однородное уравнение.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Для линейного неоднородного уравнения неспециализированное ответ будет иметь вид:

Для определения функции С(х) отыщем производную функции у и подставим ее в исходное дифференциальное уравнение.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Итого

Удостоверимся в надежности полученное неспециализированное ответ подстановкой в исходное дифференциальное уравнение.

(правильно)

Отыщем частное ответ при у(0) = 0.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Совсем

Пример. Отыскать ответ дифференциального уравнения

с начальным условием у(1) = 1.

Это уравнение возможно преобразовано и представлено как уравнение с поделёнными переменными.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

С учетом начального условия:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Совсем Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Пример. Решить дифференциальное уравнение с начальным условием у(1) = 0.

Это линейное неоднородное уравнение.

Решим соответствующее ему однородное уравнение.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Ответ неоднородного уравнения будет иметь вид:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставим в исходное уравнение:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Неспециализированное ответ будет иметь вид: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение C учетом начального условия у(1) = 0: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Частное ответ: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Пример. Отыскать ответ дифференциального уравнения Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение с начальным условием у(1) = е.

Это уравнение возможно приведено к виду уравнения с разделяющимися переменными посредством замены переменных.

Обозначим: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Уравнение принимает вид:

Взяли уравнение с разделяющимися переменными.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Сделаем обратную замену: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Неспециализированное ответ:

C учетом начального условия у(1) = е:

Частное ответ:

Второй метод ответа.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Взяли линейное неоднородное дифференциальное уравнение. Соответствующее однородное:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Ответ исходного уравнения ищем в виде:

Тогда

Подставим полученные результаты в исходное уравнение:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Приобретаем неспециализированное ответ:

Пример. Решить дифференциальное уравнение Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение с начальным условием у(1)=0.

В этом уравнении кроме этого комфортно применить замену переменных.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Уравнение принимает вид: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Делаем обратную подстановку: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Неспециализированное ответ:

C учетом начального условия у(1) = 0:

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Частное ответ:

Второй метод ответа.

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Замена переменной: Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение

Неспециализированное ответ:

Пример решения уравнения в MathCAD 14 (33/34)


Интересные записи:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: