Размещено на http://www.allbest.ru/

§1. Общие понятия

Определение 1. Обыкновенным дифференциальным уравнением n-ого порядка называется соотношение вида:

,

где - независимая переменная; - искомая функция переменной;

- производные искомой функции; - известная функция своих аргументов.

Считается, что производная на самом деле входит в выражение , а величины могут и не входить в него.

Определение 2. Порядком дифференциального уравнения, n, называется наивысший порядок производной, входящей в это уравнение.

Пример.

- уравнение первого порядка;

- уравнение второго порядка;

- уравнение пятого порядка.

Определение 3. Всякая функция , которая, будучи подставленная вместо y в выражение , обращает это выражение в тождество, называется решением дифференциального уравнения .

Если - решение, то по определению

Пример. - решение, так как

У рассматриваемого уравнения есть еще такое решение:

где С - произвольная постоянная.

Это значит, что это уравнение имеет бесчисленное множество решений, зависящих от одного параметра (С).

Можно показать, что уравнение n-ого порядка имеет семейство решений, зависящих от произвольных независимых друг от друга постоянных.

Пример.

Уравнение имеет решение: .

Определение 4. Процесс разыскания решения дифференциального уравнения называется интегрированием дифференциального уравнения.

Определение 5. Решение дифференциального уравнения , содержащее n независимых между собой произвольных постоянных, называется его общим решением.

,

Замечание. Дифференциальное уравнение может иметь не одно, а несколько общих решений. Например, для уравнения функции и являются общими решениями, причем разными, так как первая из них обращается в нуль (С=0), а вторая - никогда в нуль не обращается. Определение 6. Соотношение

,связывающее между собой независимую переменную, искомую функцию и n произвольных постоянных, называется общим интегралом уравнения . Следовательно, в общем интеграле решение задано в неявном виде.

Пример. Рассмотрим уравнение: . Отсюда или . Поэтому , где С - произвольная постоянная.

- общий интеграл; - общее решение.

Определение 7. Решение, полученное из общего при фиксированных значениях произвольных постоянных, называется частным решением.

Пример. Уравнение . Его общее решение . Положим С=2, тогда - частное решение.

Определение 8. Особым решением по отношению к данному общему решению называется такое решение, которое не может быть получено ни при каких значениях произвольных постоянных, входящих в общее решение.

Пример. Уравнение имеет два общих решения:

1) 2)

Решение: есть частное по отношению к первому и особое по отношению ко второму общему решению.

Определение 9. График частного решения называется интегральной кривой рассматриваемого дифференциального уравнения. Уравнение этой линии есть уравнение и при фиксированных .

Таким образом, общее решение (или общий интеграл) определяет семейство интегральных кривых, каждая из которых соответствует определенному набору значений произвольных постоянных.



Пример. . Общее решение .

§2. Дифференциальные уравнения I порядка

дифференциальный линейный уравнение

Определение 1. Дифференциальным уравнением первого порядка называется соотношение, связывающее независимую переменную, искомую функцию и ее производную:

Обычно мы будем иметь дело с уравнениями, которые можно разрешить относительно производной

Если в положить , то уравнение можно записать в симметричной форме:

Здесь переменные x и y равноправны.

Иногда бывает выгодно рассматривать х как функцию y. В этом случае часто применяют форму записи.

Пример

Задача Коши.

Пусть будет общим решением уравнения . Это общее решение определяет семейство интегральных кривых. Для того чтобы из этого семейства выделить какое-либо частное решение, необходимо задать еще дополнительные условия, в частности, частное решение можно выделить путем задания на плоскости точки , через которую проходит интересующая нас интегральная кривая. Следовательно, возникает задача отыскания такого решения уравнения , которое при заданном принимает заданное значение .

Это записывают так:

Такая задача называется задачей Коши.

Условие называется начальным условием. Начальные условия необходимы для определения соответствующего значения произвольной постоянной С. Покажем на примере как вычисляется С.

Пусть требуется среди решений уравнения

найти такое, которое при обращается в нуль, т.е.

Общим решением служит функция

Так как требуется, чтобы выполнялось , то должно быть , а это возможно только при . Следовательно, частное решение, удовлетворяющее условию , получается из общего решения при , т.е. . Это и есть решение задачи Коши.

Основное свойство общего решения:

Общее решение дифференциального уравнения обладает тем свойством, что из него по любому заданному допустимому начальному условию может быть найдено частное решение, удовлетворяющее этому условию. Это означает, что подставив в общее решение вместо и вместо , получаем уравнение относительно С: , из которого всегда может быть найдено значение и притом единственное. Функция служит искомым частным решением.

Замечания:

Сформулированное основное свойство общего решения справедливо при определенных требованиях, наложенных на функцию . Эти требования даются теоремой существования и единственности.

Допустимыми начальными условиями называются такие условия, когда точка , где D - область определения функции .

Пусть будет общим решением некоторого дифференциального уравнения.

Поставим вопрос: можно ли по известному общему решению «восстановить» то дифференциальное уравнение, для которого данное решение является общим?

На этот вопрос отвечает теорема:

Теорема. Для того, чтобы по известному общему решению восстановить дифференциальное уравнение, нужно исключить С из равенств:

Полученное соотношение и есть то дифференциальное уравнение, для которого служит общим решением. Эту теорему примем без доказательств.

Пример. Пусть дана функция , где С - произвольная постоянная. Требуется определить то дифференциальное уравнение, для которого она служит общим решением.

Решение. Используем теорему

Искомым дифференциальным уравнением будет .

Может случиться, что в равенстве исчезнет произвольное постоянное. Это значит, что это равенство и дает искомое дифференциальное уравнение.

Например, пусть дано общее решение . Дифференцируем -. Исчезло С. Следовательно, функция служит общим решением уравнения .

Если вместо общего решения задан общий интеграл, то уравнение восстанавливается аналогично.

Именно, надо исключить С из системы:

Перейдем к рассмотрению отдельных видов дифференциальных уравнений первого порядка.

§3. Уравнения с разделяющимися переменными

Эти уравнения самые простые. При решении какого-либо уравнения его стараются свести к уравнению с разделяющимися переменными.

А. Уравнение с разделенными переменными

Уравнением с разделенными переменными называется уравнение вида:



Переменные разделены, каждая из них находится только в той части равенства, где ее дифференциал. и - заданные функции.

Теорема. Общим интегралом уравнения служит соотношение

Пример. Найти общий интеграл уравнения

Решение. или - общий интеграл.

Теорема. Частным решением уравнения , удовлетворяющим начальному условию будет функция, определенная из равенства

.

Пример. Найти решение уравнения , удовлетворяющего условию

Решение. .

В. Уравнения с разделяющимися переменными

Уравнением с разделяющимися переменными называется уравнение вида:

В этом уравнении легко разделить переменные. Для этого поделим уравнение на произведение . Тогда получим:

.

Это уравнение с разделенными переменными. При переходе от уравнения к уравнению мы могли потерять некоторые решения, которые обращают в нуль произведение , именно или

Уравнение есть конечное (без производных) уравнение относительно . Его решением служат ,, … и т.д. Заметим, что константы служат решениями уравнения , т.к. и .

Общим интегралом будет .

Если решения получаются из при подходящем выборе С, то такие решения суть частные, если же подобрать нужное С невозможно, то они особые решения.

Следовательно, если у уравнения есть особые решения, то соответствующие им графики, т.е. интегральные кривые - это прямые параллельные оси ОХ.

Частным решением уравнения , удовлетворяющим начальному условию будет функция , определенная уравнением:

.

Пример. Для уравнения найти общий интеграл и частное решение, удовлетворяющее условию .

Решение.

а) Общий интеграл. Делим на

. .

Отсюда или - общий интеграл.

б) Частное решение.

Частное решение: .

с) Особое решение.



Возможна потеря решений . Оба эти решения особые.

§4. Однородные уравнения

Определение. Уравнение

называется однородным, если может быть представлена как функция отношения своих аргументов, т.е.

.

Таким образом, однородное уравнение имеет вид:

Теорема. Однородное уравнение имеет общий интеграл:

Замечание 1. В доказательстве теоремы мы предполагаем, что . Рассмотрим тот случай, когда . Здесь имеются две возможности.

а) Тогда и уравнение принимает вид: .

Это уравнение с разделяющимися переменными и здесь никаких преобразований делать не нужно.

б) уравнение удовлетворяется лишь при определенных значениях . В этом случае могут быть потеряны решения . Интегральные кривые суть прямые, проходящие через начало.

Пример. Решить уравнение

Решение. Уравнение однородное. Полагаем . .

Если , то . Отсюда .

- общий интеграл.

Может быть потеряно решение или .

Действительно, есть решение рассматриваемого уравнения и оно не может быть получено из общего интеграла ни при каком значении С, следовательно есть особое решение.

Замечание 2. Формулу запоминать не следует. Надо уметь ее выводить в каждом конкретном случае, как это сделано в примере.

Замечание 3. Для интегрирования уравнения более общего вида, чем

.

(обобщенное однородное) сначала делают замену неизвестной функции и независимой переменной по формулам ; выбирая и такими, чтобы исчезли свободные члены в числителе и знаменателе аргумента в , тогда приводится к однородному уравнению.

§5. Линейные уравнения

Определение. Линейным дифференциальным уравнением I порядка называется дифференциальное уравнение вида:

где - неизвестная функция аргумента.

Уравнение линейно относительно и .

Если , то уравнение примет вид: , и называется линейным однородным. При этом уравнение называется линейным неоднородным.

Уравнение называется линейным однородным, соответствующим линейному неоднородному уравнению .

А. Интегрирование линейного однородного уравнения

Рассмотрим линейное однородное уравнение

Это уравнение с разделяющимися переменными. Пусть , тогда

Отсюда общий интеграл или

заменяем на

Но есть любое число, кроме нуля. Положим .

- произвольная постоянная . Это общее решение не содержит функции , которая является решением уравнения . Для того чтобы общее решение содержало бы все решения, его надо записать в виде:

,

где С - произвольная постоянная, принимающая любые значения.

Пример. Написать общее решение уравнения .

Решение. Имеем . Поэтому (произвольную постоянную можно считать = 0). И - общее решение.

В. Интегрирование линейного неоднородного уравнения

Рассмотрим линейное неоднородное уравнение

Для его интегрирования применим метод вариации произвольной постоянной. Положим

Здесь решение ищется в такой же форме, как для однородного уравнения, но вместо произвольной постоянной стоит функция - новая неизвестная функция. Для ее определения подставляем y, определенное по

.

Следовательно,

.

Это и есть общее решение уравнения . Оно содержит все решения. Особых решений нет.

Рассмотрим вопрос об отношении частного решения уравнения , удовлетворяющего начальному условию

.

Теорема. Решением задачи Коши служит функция:

.

Замечания:

Формулу можно записать короче, если ввести под интеграл:

Если в формуле считать произвольной постоянной (при этом значение безразлично какое), то формула определит общее решение уравнения .

Запоминать формулу не следует. Надо помнить способ получения формулы .

Примеры:

Найти общее решение уравнения

Решение. Здесь . Вычислим (С можно положить = 0).

Положим . Так как , то .

Подставляем в уравнение .

Отсюда .

Следовательно, общее решение будет

Найти решение уравнения , удовлетворяющее условию .

Решение.

Здесь .

Общее решение .

Найдем из начального условия: .

Частным решением, удовлетворяющим условию , будет .

Теорема. (о структуре решения линейного неоднородного уравнения)

Общее решение линейного неоднородного уравнения состоит из суммы: какого-либо частного решения неоднородного уравнения и общего решения соответствующего ему однородного уравнения.

§6. Уравнение Бернулли

Уравнением Бернулли называется уравнение вида

,

где n - любое число, не обязательно целое.

При уравнение Бернулли превращается в линейное неоднородное уравнение. При оно превращается в линейное однородное уравнение.

Таким образом, уравнение Бернулли служит некоторым обобщением линейных уравнений, в общем случае оно является нелинейным дифференциальным уравнением (при и ).

Однако во всех случаях его решение тесно связано с решением линейного уравнения.

Теорема. Пусть и . Тогда уравнение Бернулли подстановкою сводится к решению линейного уравнения (для функции z).

Замечание. Уравнение Бернулли может быть решено другим способом. Введем вместо неизвестной функции две неизвестные функции и , такие, что

.

Подставляя это в уравнение , получим:

Из этого одного уравнения определить две функции u и v нельзя.

Для того, чтобы определить конкретные функции и , необходимо задать еще одну зависимость между и , причем вообще говоря, произвольную.

Но проще всего положить

.

Тогда уравнение примет вид: или, считая (или, что то же,

) .

Так как есть решение однородного линейного уравнения , то его можно считать его известным:

Здесь, при интегрировании уравнения , мы положили произвольную постоянную . Это можно делать, так как за функцию мы можем взять любое решение уравнения .

Итак, известно. Отсюда следует, что уравнение для определения будет с разделяющимися переменными (считаем ).

Отсюда получаем :

или

Формулы и позволяют построить решение уравнения Бернулли

.

Такой способ решения годится и для и . В этом случае только формула будет иметь другой вид, именно: , где С - произвольная постоянная.

Пример. или .

Это уравнение Бернулли. Здесь .

Преобразуем уравнение, разделив его на : .

Положим , тогда .

Следовательно, или .

Отсюда .

и - особое решение.

§ 7. Теорема существования и единственности решения дифференциального уравнения

Условие Липшица

Рассмотрим функцию , определенную и непрерывную в прямоугольнике К:

Определение. Если для любого и любых двух значений и переменной :

, существует такое, не зависящее от х число , что выполнено неравенство: , то говорят, что функция в области К удовлетворяет условию Липшица с постоянной L.

Замечания:

1. Если в области К имеет непрерывную частную производную , то всегда найдется такое L, что условие будет выполнено. Действительно, тогда по формуле Лагранжа

- лежит между и .

В силу непрерывности в К и замкнутости области К, в К ограничена, т.е. , где L - некоторая константа. В этом случае, в частности, за L можно принять .

2. Условие Липшица более слабое, чем существование частной производной , так как оно может быть выполнено и в том случае, когда существует не всюду в К.

Примеры:

Определить, удовлетворяет ли условию Липшица функция заданная в прямоугольнике ?

Решение.

Следовательно, за L можно принять и условие Липшица выполнено. Тот же результат получим, если используем замечание 1. Действительно, функция имеет непрерывную , поэтому за L можно принять .

Таким образом, заданная функция удовлетворяет условию Липшица в любом конечном прямоугольнике.

То же самое для функции .

Это значит, что в прямоугольнике K условие выполнено с .

Здесь константа L не зависит от размеров прямоугольника, следовательно, условие Липшица удовлетворяется на всей плоскости.

То же для функции

В то же время не существует при , т.к.

.

Теорема существования и единственности

Теорема (Коши)

Пусть удовлетворяет условиям:

1) непрерывна в прямоугольнике K: , тогда в K ограничена, то найдется такое

удовлетворяет в K условию Липшица

Тогда в интервале:

дифференциальное уравнение

обладает единственным решением , таким, что .

Замечания:

Для существования решения достаточно непрерывности в K.

Для единственности решения требуется выполнение условия Липшица , которое может быть заменено более жестким условием существования в K непрерывной .

При доказательстве теоремы рассматривается задача Коши: ,

которая заменяется эквивалентным ей интегральным уравнением .

Затем к уравнению применяется так называемый метод последовательных приближений Пикара. Он состоит в том, что строится последовательность функций сходящаяся к решению уравнения . Функции строятся по следующему правилу: за исходное приближение принимается , а следующие вычисляются по формуле: .

Это есть рабочая формула для построения приближенного решения по методу последовательных приближений.

Допустим интегральная кривая построена на интервале . Возьмем конечную точку за центр нового прямоугольника и продолжим решение вправо. Поступая так, каждый раз, можно продолжить решение (интегральную кривую) до самой границы области G задания функции (в предположении, что G конечна и замкнута).

Мы построили интегральную кривую, проходящую через точку . Можно выбрать любую другую точку и опять получим единственную интегральную кривую. Таким образом, область G как бы состоит из интегральных кривых.

Теорема. Если определена и непрерывна на всей плоскости и удовлетворяет условию Липшица во всякой конечной области этой плоскости, то всякая интегральная кривая при возрастании или продолжима до или имеет вертикальную асимптоту при конечном значении , т.е. интегральная кривая не может окончится где-то внутри области.

Пример

.

Здесь удовлетворяет всем условиям теоремы. Решением задачи Коши будет . Решение имеет вертикальные асимптоты .

Те точки области G, в которых функция неопределена или перестает быть непрерывной или не выполняется условие Липшица, называются особыми точками уравнения . Таким образом, особые точки это те точки, в которых нарушаются условия теоремы существования и единственности. Особые точки могут быть изолированными, а могут составлять и целые области.

§ 8. Частные случаи уравнений II порядка

Рассмотрим частные случаи уравнений II порядка, допускающих «понижение» порядка, т.е. случаи, когда уравнение II порядка приводится к интегрированию двух уравнений первого порядка.

Правая часть не содержит и

Положим . Тогда и .

Получили уравнение первого порядка.

Отсюда или .

Имеем опять уравнение первого порядка или

Получили общее решение уравнения .

Правая часть уравнения не содержит

Положим , тогда для z имеем уравнение .

Пусть его решение будет . Следовательно, .

Отсюда .

Это общее решение уравнения .

Пример

.

Положим , тогда и его решение .

Следовательно, и

или - общее решение уравнения

Правая часть не содержит х

Положим и будем считать z функцией y.

Тогда . Итак, .

Подставляя это в уравнение , получим: , т.е. уравнение первого порядка относительно z. Решив его, будем иметь или .

Получили уравнение с разделяющимися переменными. Отсюда .

Это общий интеграл уравнения .

Пример. .

Положим , тогда или . Отсюда

или или - общее решение.

§ 9. Линейное однородное уравнение с постоянными коэффициентами

Рассмотрим линейное неоднородное уравнение с постоянными коэффициентами

и соответствующее ему однородное ,

где и - постоянные коэффициенты.

Найдем общее решение уравнения .

Будем искать решение уравнения в форме .

Тогда .

Подставляя это в уравнение , получим: .

Но так как , то

Это уравнение по отношению к уравнению , называется характеристическим.

Если функция есть решение уравнения , то должно быть корнем характеристического уравнения .

Рассмотрим три возможные случая:

корни уравнения вещественны и различны

корни вещественны и равны

корни комплексные сопряженные

1 случай. и действительны.

В этом случае функции и будут решениями уравнения . Так как их отношение , то эти решения линейно независимы и, следовательно, они составляют фундаментальную систему. А поэтому общее решение уравнения в этом случае будет

Пример.

Характеристическое уравнение будет .

Его корни . Общее решение будет .

2 случай. Корни равны .

В этом случае имеем пока только одно решение . Покажем, что вторым решением будет . Действительно,

Подставим это в левую часть уравнения , тогда получим

,

так как есть корень уравнения , и потому, что . А это значит, что есть решение , что и требовалось доказать.

Итак, мы имеем два решения и . Они линейно независимы, следовательно, образуют фундаментальную систему решений. Поэтому общий интеграл будет .

Пример.

Характеристическое уравнение . Корни .

Общее решение .

3 случай. Корни комплексные сопряженные

Следовательно, имеем два комплексных линейно независимых решения .

Общее решение будет .

Ясно, что иметь вещественное общее решение надо считать и комплексными числами. Выразим и по формулам Эйлера, тогда



Положим здесь . Тогда .

Поэтому .

Таким образом, в случае комплексных сопряженных корней характеристического уравнения, уравнение имеет два линейно независимых вещественных решения .

Общее решение .

Пример.

Общее решение .

§ 10. Линейное неоднородное уравнение с постоянными коэффициентами

Рассмотрим линейное неоднородное уравнение

где и - заданные постоянные коэффициенты.

Нам уже известно, что общее решение такого уравнения складывается из общего решения , соответствующего однородного уравнения



и какого-нибудь частного решения уравнения, т.е. .

Как строить общее решение однородного уравнения, мы рассмотрим в предыдущем параграфе. Поэтому теперь вопрос об общем решении уравнения сведен лишь к вопросу о построении хотя бы какого-нибудь частного решения уравнения . Вообще говоря, можно, например, угадать. Но такой способ определения очень ненадежен. Мы укажем сейчас точные способы, которые всегда приводят к цели.

А. Правая часть уравнения имеет специальный вид

Рассмотрим функцию: ,

где - полиномы, а числа m и n - вещественные любые.

По виду этой функции составим «контрольное число» .

Пусть корни характеристического уравнения будут и .

Определим число k следующим образом:

, если контрольное число не совпадает ни с одним из корней ;

, если совпадает с одним из корней ;

, если .

Правило. Если правая часть уравнения имеет вид:

,

где и - полиномы степени, равной наивысшей из степеней полиномов и .

Схема нахождения :

зная вид , записывают в форме , причем полиномы и и записываются с неопределенными коэффициентами;

подставляют в уравнение вместо y, и приравнивают коэффициенты при одинаковых функциях справа и слева. Получают систему уравнений для коэффициентов многочленов . Решая эту систему, находят неизвестные коэффициенты.

Найденные коэффициенты подставляют в формулу и находят .

Замечания: 1. Если функция имеет вид: или , то частное решение все равно ищется в виде .

2. Если , то . В этом случае частное решение ищется в форме: . При этом степень равна степени и .

3. Если , то , а имеет вид .

Пример.

Характеристическое уравнение . Следовательно, .

Поэтому следует искать в виде:

Отсюда Подставляя в уравнение и , находим:

Отсюда или

.

Следовательно, .

В. Метод вариации произвольных постоянных

В пункте А был изложен метод построения для специального вида . Метод вариации произвольных постоянных применим для функции любого вида.

Итак, рассмотрим уравнение : , где - любая функция (непрерывная).

Пусть нам известно общее решение однородного уравнения

где - произвольные постоянные, а и - частные решения уравнения .

Будем искать частное решение уравнения в виде ,

т.е. в таком же виде, как общее решение , но только вместо произвольных постоянных подставим пока неизвестные функции. Найдем их. Поскольку должно быть решением уравнения , то функции и связаны только одной зависимостью. Для того чтобы их найти, этого недостаточно. Поэтому мы вправе наложить на них еще одно условие по произволу.

Найдем производную .

Потребуем, чтобы имело бы такой же вид, как если бы и были бы постоянными. Отсюда следует, что должно быть

.

Тогда .

Найдем .

Подставляя и определенные формулами , и , в уравнение , тогда получим:

или .

Но и суть решения однородного уравнения , поэтому имеем

Таким образом, и определяются из и , т.е. из системы уравнений

Эта неоднородная система линейных алгебраических уравнений относительно и с определителем .

Это определитель Вронского, по доказанному ранее , поэтому система имеет единственное решение. Определение из и интегрируя их, найдем и , а затем и .

Замечание. Если при интегрировании и ввести произвольные постоянные, то сразу получим общий интеграл неоднородного уравнения .

Пример.

Соответствующее однородное

Характеристическое уравнение .

Общее решение однородного уравнения

Частное решение заданного уравнения ищем в виде , где и определяются из системы:

Отсюда

Общее решение будет

или .

Размещено на Allbest.ru