- •Министерство образования и науки
- •Предисловие.
- •1 Решить дифференциальные уравнения
- •2 Решить дифференциальное уравнение
- •Методические указания к выполнению индивидуальных домашних заданий
- •Дифференциальные уравнения первого порядка.
- •1.1. Основные понятия.
- •3 Решить задачу Коши
- •4 Решить дифференциальные уравнения
- •5 Решить задачу Коши
- •6 Решить дифференциальные уравнения
- •7 Решить дифференциальное уравнение
- •1.2. Уравнения с разделяющимися переменными.
- •1.3. Однородные уравнения.
- •1.4. Линейные дифференциальные уравнения.
- •2. Дифференциальные уравнения высших порядков.
- •2.1. Общие понятия и определения.
- •2.2. Уравнения, допускающие понижение порядка.
- •2.3. Линейные дифференциальные уравнения второго порядка.
- •2.4. Линейные однородные уравнения с постоянными коэффициентами
- •2.5. Метод вариации произвольной постоянной
- •2.6. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения
1.2. Уравнения с разделяющимися переменными.
Д.у. первого порядка
(1.2)
называется
уравнением с разделяющимися переменными,
если
и
в (1.2) можно записать в виде произведения
двух множителей, каждый из которых
является функцией одного аргумента. То
есть
(1.3)
Делением
на
(1.3) приводится к виду
.
Интегрируя,
получим общее решение д.у. в


Замечание:
Если в уравнении (1.3) функция
имеет действительный корень
,
то
является решением д.у.
Пример
2. Решить
задачу Коши:

Решение:
Полагая
и вынося
за скобки, получим
.
Разделив переменные и интегрируя, находим общий интеграл
,
,
.
Используя
начальное условие
,
получим
или


Следовательно, искомое частное решение имеет вид
.
Ответ:
.
1.3. Однородные уравнения.
Д.у. первого порядка называется однородным, если его можно привести к виду
(1.4)
или
,
(1.5)
где
и
-
однородные функции одного измерения,
т.е. существует такое
,
что
и
,
.
Уравнения
(1.4) и (1.5.) с помощью подстановки
,
где
- новая неизвестная функция, приводятся
к уравнениям с разделяющимися переменными.
Задача
3. Решить
д.у.
.
Решение:
Разделим обе части этого уравнения на
:
,
получим уравнение вида (1.4), где
.
Сделаем
замену
,
,
,
тогда
.
Разделим переменные и интегрируя, будем иметь
,
,
или
.
Подставляя
,
получим общее решение исходного д.у.:
,
.
Ответ:
.
1.4. Линейные дифференциальные уравнения.
Д.у. первого порядка называется линейным, если оно имеет вид
(1.6)
Если
,
то уравнение называется линейным
однородным.
Решить
линейное уравнение (1.6) можно методом
Бернулли. Согласно этому методу решение
уравнения (1.6) ищется в виде
,
где
– некоторые неизвестные функции. Тогда
.
Подставляя эти выражения в уравнение
(1.6) и группируя слагаемые, содержащие
(или
),
получим
,
.
(1.7)
Пользуясь
тем, что одна из неизвестных функций
(например,
) может быть выбрана произвольно (
),
поскольку лишь произведение
должно удовлетворять уравнению (1.6),
функция
выбирается так, чтобы она обращала в
нуль коэффициент при
в левой части уравнения (1.7), т.е.
(1.8)
Это
уравнение с разделяющимися переменными
относительно функции
.
Проинтегрировав его
,

получим
.
За
принимаем любое отличное от нуля частное
решение уравнения (1.8):
.
Поставляя
найденную функцию
в левую часть (1.7), получим уравнение с
разделяющимися переменными относительно
:
.
Решив
его, найдем

Перемножая
функции
и
,
будем иметь
.
Пример
3. Найти общее
решение дифференциального уравнения
.
Решение:
Согласно методу Бернулли
,
Подставим эти выражения в исходное
уравнение
.
Сгруппируем
члены, содержащие
:
.
(1.9)
Функцию
найдем из уравнения
или
,
Разделяя переменные и интегрируя, имеем
,
или
.
Подставим
найденное
в уравнение (1.9):
или
.
Откуда

Перемножая
и
,
получим общее решение
.
Ответ:

2. Дифференциальные уравнения высших порядков.
2.1. Общие понятия и определения.
Уравнение вида
,
где
-
независимая переменная,
-
искомая функция, а функция
определена и непрерывна в некоторой
области
и зависит от
,
называется обыкновенным дифференциальным
уравнением
-
го порядка.
Д.у.
-го
порядка, разрешенное относительно
старшей производной имеет вид
,
где
функция
непрерывна в некоторой области
изменения своих аргументов.
Ограничимся рассмотрением д.у. второго порядка, т.е. уравнениями вида
(2.1)
и
(2.2)
Решением
уравнения на интервале
называется функция
,
удовлетворяющая условиям:
1)
дважды непрерывно дифференцируема на
;
2)
при
любом
;
3)
обращает (2.2) в тождество:
при
любом
.
Задачей
Коши для уравнения (2.2) называется задача
нахождения решения уравнения
,
удовлетворяющего начальным условиям
(2.3)
где
точка
принадлежит
области
в которой задана
.
Теорема
Коши. Пусть
в каждой точке области
функция
и ее частные производные по
и
непрерывны, тогда для любой точки
задача
Коши для уравнения (2.2) имеет единственное
решение
Функция
(2.4),
где
-
произвольные постоянные, называется
общим решением уравнения (2.2) в области
,
если
а)
функция
имеет
непрерывные частные производные по
до второго порядка включительно;
б)
для любой точки
система
единственным образом разрешима
относительно постоянных
;
в)
функция
является решением д.у. (2.2) при любых
допустимых значениях произвольных
постоянных
.
Если
общее решение (2.4) в области
задано неявно соотношением
(2.5),
то
(2.5) называется общим интегралом уравнения
(2.2) в области

