- •Основы маТеМатического анализа
- •Оглавление
- •Дидактический план
- •Литература Основная
- •Дополнительная
- •Перечень умений
- •1. Введение в математический анализ
- •1.1. Числовые последовательности
- •1.2. Предел последовательности
- •1.3. Предел функции
- •1.4. Предел функции при стремлении аргумента к бесконечности (X →∞)
- •1.5. Бесконечно малые функции
- •1.6. Основные свойства бесконечно малых
- •1.7. Сравнение бесконечно малых. Эквивалентные бесконечно малые
- •1.8. Бесконечно большие функции
- •1.9. Связь предела и бесконечно малых
- •1.10. Правила предельного перехода
- •1.11. Понятие непрерывности функции. Точки разрыва функции
- •2. Дифференциальное исчисление функций одной переменной
- •2.1. Производная функции. Ее геометрический смысл
- •2.2. Дифференциал функции, его геометрический смысл
- •2.3. Общее представление о линеаризации функции
- •2.4. Основные правила дифференцирования функций
- •2.5. Монотонные функции. Точки экстремума
- •2.6. Производные высших порядков
- •2.7. Формула Тейлора (до второго порядка включительно)
- •2.8. Выпуклость функции. Точки перегиба
- •2.9. Асимптоты
- •2.10. Общая схема исследования функции. Построение графика
- •3. Элементы интегрального исчисления
- •3.1. Понятие первообразной. Основные правила интегрирования
- •3.2. Основные методы интегрирования
- •Основных интегралов (c – постоянная)
- •3.3. Интеграл и задача об определении площади
- •3.4. Определенный интеграл
- •3.5. Вычисление определенного интеграла. Основные свойства
- •7.Теорема о среднем значении определенного интеграла.
- •8.Теорема об оценке интеграла.
- •4. Обыкновенные дифференциальные уравнения
- •4.1. Общие понятия и определения
- •4.2. Дифференциальные уравнения первого порядка. Задача Коши
- •4.3. Способы интегрирования уравнений первого порядка
- •4.4. Линейные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами
- •1. Составьте логическую схему базы знаний по теме юниты:
- •3. Найти общее решение дифференциального уравнения:
- •Тренинг умений
- •1. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 1 Задание
- •Решение
- •Cамостоятельно найдите производные:
- •2. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 2 Задание
- •Решение
- •Самостоятельно найдите интервалы монотонности и точки экстремумов функции:
- •3. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 3 Задание
- •Решение
- •Самостоятельно методом интегрирования по частям найдите интегралы:
- •4. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 4 Задание 1
- •Решение
- •Задание 2
- •Решение
- •Самостоятельно вычислите площадь, ограниченную кривыми:
- •Самостоятельно найдите общее решение дифференциальных уравнений:
- •Глосарий
- •Матиматика (курс 4) юнита 3
4.3. Способы интегрирования уравнений первого порядка
Операцию отыскания решения дифференциального уравнения называют интегрированием уравнения. Мы рассмотрим лишь два простых класса дифференциальных уравнений, для которых находится общее решение.
Уравнения с
разделяющимися переменными.К таким
уравнениям относятся уравнения вида
,
где
.
Для интегрирования уравнение запишем в виде
.
Простыми преобразованиями перепишем уравнение так:
.
Переменные разделились:
слева записан дифференциал некоторой
функции от y, а справа – отx.
Проинтегрируем обе части полученного
уравнения:
или
– получили общее решение уравнения
(возможно, в неявном виде).
Замечание.При
делении уравнения наh(y)
предполагается, что
(могли потерять решение уравнения).
Пример 1.
.
Перепишем уравнение
в виде
.
Функции y=0 иy= –2
являются решениями уравнения. Остальные
решения найдем, разделив переменные и
интегрируя полученное уравнение:

.
Произвольную
постоянную здесь удобно записать как
.
Тогда
или
.
Линейные дифференциальные уравнения первого порядка.
Уравнение вида
,
гдеp(x) иq(x) – заданные
непрерывные функции, называется линейным
(функцииy(x) и
входят в уравнение лишь в первой степени).
Решение этого
уравнения будем искать в виде
или, коротко,
,
тогда
;
подставив в уравнение, получим
.
Выберем множитель
u(x) так, чтобы
,
тогда исходное уравнение сводится к
интегрированию двух уравнений с
разделяющимися переменными:
, (1)
. (2)
Найдем решение
уравнения (1). Пусть u(x) – некоторое
решение. Подставимu(x) во второе
уравнение и найдем его общее решение
.
Тогда общим решением исходного уравнения
будет функция
.
Пример 2.
.
Ищем решение этого
уравнения в виде
.
Имеем
,
.
Функцию uвыберем так, чтобы
(3)
Получили уравнение с разделяющимися переменными. Решим это уравнение:
![]()
или
![]()
Функция
является решением этого уравнения.
Функцию
находим из уравнения
,
подставив найденную функциюu=x2:
.
(4)
Вновь получили
уравнение с разделяющимися переменными.
Разделяя переменные, получим
,
или
.
Общим решением этого уравнения будет
функция
.
Следовательно, все
решения исходного уравнения определяются
формулой
или
.
4.4. Линейные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами
Уравнение
,
Где
– постоянные
,
называетсялинейным однородным
дифференциальным уравнением с постоянными
коэффициентами.
Решение этого
уравнения будем искать в виде
,
тогда
,
.
Подставив в уравнение, получим
,
так как
,
то функция
будет решением дифференциального
уравнения, еслиrудовлетворяет
алгебраическому уравнению
.
(*)
Последнее уравнение называют характеристическим уравнением для исходного дифференциального.
Уравнение (*) имеет
два корня
.
Рассмотрим возможные случаи:
1) при
D
> 0 уравнение (*) имеет действительные
различные корни
.
Функции
– решения дифференциального
уравнения, они образуют фундаментальную
систему решений исходного дифференциального
уравнения;
2) при D= 0 корни
уравнения (*) действительные и кратные,
т.е.
,
тогда фундаментальная система решений
состоит из функций
и
;
3) при D<0 уравнение
(*) имеет комплексно сопряженные корни
,
где
,
фундаментальная система решений состоит
из функций.
![]()
Общее решение
дифференциального уравнения с постоянными
коэффициентами есть линейная комбинация
решений фундаментальной системы, т.е.
,
где
– произвольные постоянные.
Уравнение
![]()
называется линейным
неоднородным дифференциальным уравнением
второго порядка с постоянными
коэффициентами
.
Функцияf(x) называется правой
частью уравнения. Уравнение
с теми же коэффициентами
называют однородным дифференциальным
уравнением, соответствующим данному
неоднородному. Общее решение неоднородного
дифференциального уравненияY(x)
есть сумма общего решения соответствующего
однородногоy(x) и частного решения
неоднородного
:
.
Основная трудность
состоит в нахождении
.
Однако существует простой способ
нахождения частного решения
в том случае, когда правая частьf(x)
имеет специальный вид. Способ этот
заключается в подборе частного решения
в зависимости от вида правой части
(метод неопределенных коэффициентов).
1. Пусть правая часть
уравнения имеет вид
,
где
– заданный многочлен степениm,
– действительное число.
Тогда частное решение
ищем в виде
,
где
– многочлен той же степениm, что и
,
но с неизвестными коэффициентами;k– кратность действительного корня α
характеристического уравнения. Для
отыскания коэффициентов
следует подставить
в исходное уравнение, поделить обе части
на
и приравнять коэффициенты при одинаковых
степеняхх. Получим систему линейных
уравнений для определения неизвестных
коэффициентов
.
2. Пусть правая часть
дифференциального уравнения имеет вид
,
где
– заданные числа. Тогда частное решение
следует искать в виде
,
где A,B–
неизвестные постоянные,k– кратность
комплексных корней
характеристического уравнения.
Разберем несколько примеров.
Пример 1.Найти
общее решение уравнения
.
Решение.Составим
характеристическое уравнение
;
его корни
(можно найти по теореме Виета), им
соответствует фундаментальная система
решений (ФСР)
и общее решение имеет вид
.
Пример 2.Найти
общее решение уравнения
.
Решение.Характеристическое уравнение
или
имеет кратный корень
,
ФСР:
,
общее решение
.
Пример 3.Найти
общее решение уравнения
.
Решение.Характеристическое уравнение
.
Корни его найдем, используя общую формулу
.
Следовательно,
.
Корни характеристического уравнения
комплексные![]()
,
а потому им соответствуют частные
решения
и
,
составляющие ФСР. Следовательно, общее
решение есть
.
Пример 4.Найти
общее решение неоднородного
дифференциального уравнения с постоянными
коэффициентами
.
Решение.Характеристическое уравнение
соответствующего однородного
дифференциального уравнения
имеет вид
,
его корнями будут числа
;
ФСР образуют функции
,
общее решение соответствующего
однородного уравнения
.
Частное решение
исходного уравнения следует искать в
виде
,
так как коэффициентом при
служит многочлен нулевой степени (
,
т.е. m=0), число
не является корнем характеристического
уравнения (k= 0,k– кратность
корня α = 5).
Итак,
.
Подставим в данное
уравнение
,
или
,
отсюда
12A= 1,
и
.
Общее решение
исходного уравнения
.
Пример 5.Найти
общее решение неоднородного
дифференциального уравнения
.
Решение.Характеристическое уравнение
соответствующего однородного уравнения
имеет различные вещественные корни
,
а потому общее решение однородного
уравнения
.
Частное решение
неоднородного уравнения следует искать
в виде
,
так как правая часть уравнения,
![]()
и
не является корнем характеристического
уравнения,k=0.
Подставим решение
в исходное уравнение (в колонке слева
записаны коэффициенты при
в данном уравнении):
|
–2 |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
![]()
или
.
Таким образом, имеем систему
,
т.е. A= –0,3;A= –0,9.
Получили частное
решение
.
Следовательно, общее решение данного уравнения имеет вид
.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
