Дифференциальные уравнения

Содержание

Слайд 2

При решении различных задач математики, физики и других наук часто пользуются математическими

При решении различных задач математики, физики и других наук часто пользуются математическими
моделями в виде уравнений, связывающих независимую переменную x , искомую функцию
y = f(x) и ее производные

Основные понятия

Такие уравнения называются дифференциальными уравнением (ДУ) (термин принадлежит Лейбницу, 1676)

Символически дифференциальное уравнение можно написать:

Порядком дифференциального уравнения называется порядок наивысшей производной, входящей в уравнение.

Например, уравнение

есть уравнение второго порядка.

Слайд 3

Основные понятия

Если искомая функция y = f(x) есть функция одной независимой переменной,

Основные понятия Если искомая функция y = f(x) есть функция одной независимой
то дифференциальное уравнение называется обыкновенным, в противном случае – ДУ в частных производных.

Решением дифференциального уравнения называется функция, которая при подстановке в уравнение обращает его в тождество, процесс отыскания решения называется интегрированием ДУ

Например, рассмотрим уравнение:

Функция

является решением уравнения, так как:

При подстановке функции и ее производных в уравнение получим тождество:

Слайд 4

Дифференциальные уравнения первого порядка

Дифференциальное уравнение первого порядка имеет вид:

Если уравнение можно записать

Дифференциальные уравнения первого порядка Дифференциальное уравнение первого порядка имеет вид: Если уравнение
в виде:

то его называют ДУ первого порядка, разрешенным относительно производной.

Уравнение первого порядка может быть записано также в дифференциальном виде:

P(x; y) и Q(x; y) – известные функции.

Интегрирование ДУ в общем случае приводит к бесконечному множеству решений, отличающихся друг от друга постоянными величинами.

Слайд 5

Дифференциальные уравнения первого порядка

Например, решением уравнения

является функция

и вообще любая функция вида

Чтобы

Дифференциальные уравнения первого порядка Например, решением уравнения является функция и вообще любая
решение дифференциального уравнения приобрело конкретный смысл, его надо подчинить дополнительным условиям.

Условие, что при x = x0 функция у должна быть равна заданному числу у0, называют начальным условием и записывают в виде:

, а также функция

Слайд 6

Дифференциальные уравнения первого порядка

Общим решением ДУ первого порядка называется функция

Функция

Каково бы

Дифференциальные уравнения первого порядка Общим решением ДУ первого порядка называется функция Функция
ни было начальное условие у(x0 ) = у0 можно найти такое значение постоянной С0, что функция

содержащая одну произвольную постоянную и удовлетворяющая условиям:

является решением ДУ при каждом

фиксированном значении C.

удовлетворяет данному начальному условию.

Частным решением ДУ первого порядка называется функция, полученная из общего решения при конкретном значении постоянной С = С0 .

Если общее решение ДУ найдено в неявном виде: Ф(x; y; C) = 0, то такое решение называется общим интегралом, уравнение Ф(x; y; С0) = 0 называется частным интегралом.

Слайд 7

Дифференциальные уравнения первого порядка

График решения дифференциального уравнения называется интегральной кривой.

С геометрической точки

Дифференциальные уравнения первого порядка График решения дифференциального уравнения называется интегральной кривой. С
зрения, общее решение ДУ первого порядка есть семейство интегральных кривых на плоскости XOY

Например, общее решение ДУ

есть семейство парабол:

Частное решение - одна кривая из этого семейства, проходящая через точку М(х0; у0)

Частное решение, удовлетворяющее начальному условию: у(1) = 2 - это одна парабола, проходящая через точку М(1, 2) с уравнением:

Задача отыскания частного решения ДУ, удовлетворяющего заданному начальному условию называется задачей Коши.

Слайд 8

Уравнения с разделяющимися переменными

Наиболее простым ДУ первого порядка является уравнение вида:

Такое уравнение

Уравнения с разделяющимися переменными Наиболее простым ДУ первого порядка является уравнение вида:
называется уравнением с разделенными переменными.

Проинтегрировав это уравнение почленно, получим:

- общий интеграл ДУ.

Более общий случай описывают уравнения с разделяющимися переменными, которые имеют вид:

(1)

(2)

Уравнение (2) сводится к уравнению (1) путем почленного деления его на

Слайд 9

Уравнения с разделяющимися переменными

Получаем:

Замечание: при проведении почленного деления ДУ на

могут быть

Уравнения с разделяющимися переменными Получаем: Замечание: при проведении почленного деления ДУ на
потеряны некоторые решения.

Поэтому следует отдельно решить уравнение

(3)

Уравнение

и установить те решения, которые не могут быть получены из общего решения – особые решения.

также сводится к уравнению с разделенными переменными.

Для этого достаточно положить

Слайд 10

Уравнения с разделяющимися переменными

Разделим обе части уравнения на xy:

Общий интеграл ДУ

Решим уравнение

Уравнения с разделяющимися переменными Разделим обе части уравнения на xy: Общий интеграл
xy = 0:

Его решения: x = 0 и y = 0 являются решениями данного ДУ, но не входят в общее решение, значит это особое решение.

Решить задачу Коши:

Общее решение ДУ

Подставим начальные условия:

Частное решение ДУ

Слайд 11

Уравнения с разделяющимися переменными

Рассмотрим задачу, приводящую к ДУ первого порядка с разделяющимися

Уравнения с разделяющимися переменными Рассмотрим задачу, приводящую к ДУ первого порядка с
переменными:

Задача: материальная точка массы m замедляет свое движение под воздействием силы сопротивления среды, пропорциональной квадрату скорости V. Найти зависимость скорости от времени. Найти скорость точки через 3 с после начала замедления, если V(0) = 100 м/с, V(1) = 50 м/с.

Решение:

Примем за переменную время t, отсчитываемое от начала замедления точки. Тогда скорость V будет функцией t: V = V(t).

Воспользуемся вторым законом Ньютона:

В нашем случае

- коэффициент пропорциональности