Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Матан_Дифф_Уравн

.pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
15.03.2016
Размер:
493 Кб
Скачать
☆

 

 

 

 

 

32

 

 

 

 

 

d 2 x

= 3 dx

−2 dy ;

d 2 x

= 3 dx

−2(−x +2y) ;

 

 

 

 

 

dt2

dt

dt

dt2

dt

 

 

 

 

 

 

d 2 x

= 3 dx

+2x −4y .

 

 

 

 

 

 

 

dt2

dt

 

 

 

 

 

1

 

 

dx

Из первого уравнения системы выразим y :

y =

 

3x −

2

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

Тогда уравнение

d 2 x

= 3 dx

+2x −4y можно переписать в виде

 

 

 

 

 

 

dt2

 

dt

 

d 2 x

= 3

dx

+2x −2

 

3x −

dx

. Данное уравнение является линейным

dt

2

dt

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

дифференциальным уравнением второго порядка для определения неизвестной функции x(t) . Приводя подобные, запишем его в виде

d 2 x −5 dx + 4x = 0 . dt2 dt

Составим характеристическое уравнение и найдем его корни:

λ2 −5λ +4 = 0 ; (λ −1)(λ −4) = 0; λ1 =1,λ2 = 4 .

Решение дифференциального уравнения имеет вид

 

 

x = C1et +C2e4t , где C1,C2 - произвольные постоянные.

 

 

Найдем y(t) . Так как y =

1

3x − dx

, то, подставляя x = C et +C

e4t ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

1

2

 

получаем:

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y =

1

 

−

 

1

(3C1e

t

+3C2e

4t

−C1e

t

−4C2e

4t

);

 

 

2

3x

dt

=

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = C1et −

1 C2e4t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда общее решение системы имеет вид:

x = C1et +C2e4t ;

y = C1et − 12 C2e4t .

Где C1,C2 - произвольные постоянные.

Используя начальные условия, найдем произвольные постоянные. Так как x(0) =1, y(0) =1, то для определения C1,C2 имеем систему

уравнений:

C1 +C2 =1;

C1 − 1 C2 =1.2

Решая систему, получаем С1 =1,C2 = 0. Ответ: x = et ,

y = et .

32

33

Задача 25. Найти общее решение системы дифференциальных уравнений

dxdt = x +4y,

dy = x − y.dt

Продифференцируем первое уравнение. Получаем

d 2 x = dx +4 dy . dt2 dt dt

Подставим в полученное уравнение значение dydt , взятое из второго уравнения системы. Получаем

d 2 x

= dx

+4(x − y) ;

 

 

 

 

dt2

dt

 

 

 

 

 

d 2 x

= dx

+4x −4y .

 

 

 

 

dt2

dt

 

 

1

dx

 

Из первого уравнения системы выразим y :

y =

 

4

 

− x .

 

 

 

 

dt

 

Тогда уравнение

d 2 x

= dx

+4x −4y можно переписать в виде

 

 

 

 

 

dt2

dt

 

d 2 x

=

dx

dx

− x

 

. Данное уравнение является линейным

dt

2

dt

+4x −

 

 

 

dt

 

 

 

 

дифференциальным уравнением второго порядка для определения неизвестной функции x(t) . Приводя подобные, запишем его в виде

d 2 x +5x = 0 . dt2

Составим характеристическое уравнение и найдем его корни:

λ2 +5 = 0 ; λ = ±5i .

Решение дифференциального уравнения имеет вид

x = C1 sin 5t +C2 cos 5t , где C1,C2 - произвольные постоянные.

Найдем

y(t) . Так как

y =

1

dx

 

, то, подставляя

4

 

− x

 

 

 

dt

 

 

x = C1 sin 5t +C2 cos 5t , получаем:

 

1

dx

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y =

=

(C1

5 cos 5t −C2

5 sin 5t −C1 sin 5t −C2 cos 5t );

4

 

− x

4

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33

34

y = C1 14 (5 cos 5t −sin 5t )+C2 14 (−5 sin 5t −cos 5t ).

Тогда общее решение системы имеет вид:

x = C1 sin 5t +C2 cos 5t ;

y = C1 14 (5 cos 5t −sin 5t )+C2 14 (−5 sin 5t −cos 5t ).

Где C1,C2 - произвольные постоянные.

Ответ: x = C1 sin 5t +C2 cos 5t ;

y = C1 14 (5 cos 5t −sin 5t )+C2 14 (−5 sin 5t −cos 5t ).

Задача 26. Найти общее решение системы дифференциальных уравнений

dxdt = x +4y,

dy = 2x +3y.dt

Продифференцируем первое уравнение. Получаем

d 2 x = dx +4 dy . dt2 dt dt

Подставим в полученное уравнение значение dydt , взятое из второго уравнения системы. Получаем

d 2 x

= dx

+4 dy ;

d 2 x = dx +4(2x +3y) ;

 

 

 

 

dt2

 

dt

dt

dt2

dt

 

 

 

 

d 2 x

= dx

+8x +12y .

 

 

 

 

 

 

dt2

 

dt

 

 

 

 

 

1

dx

 

Из первого уравнения системы выразим y :

y =

 

4

 

− x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

Тогда уравнение

d 2 x

= dx +8x +12y можно переписать в виде

 

 

 

 

 

 

dt2

dt

 

 

 

 

d 2 x

=

dx

+8x +3

dx

− x

 

 

 

 

 

dt

2

dt

 

. Данное уравнение является линейным

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

дифференциальным уравнением второго порядка для определения неизвестной функции x(t) . Приводя подобные, запишем его в виде

d 2 x −4 dx −5x = 0 . dt2 dt

34

35

Составим характеристическое уравнение и найдем его корни:

λ2 −4λ −5 = 0 ; (λ +1)(λ −5) = 0 ; λ1 = −1,λ2 = 5 .

Решение дифференциального уравнения имеет вид

 

 

 

 

 

 

x = C1e−t +C2e5t , где C1,C2

- произвольные постоянные.

 

 

 

Найдем y(t) . Так как y = 1 dx

− x , то, подставляя

x = C e−t +C

2

e5t ,

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

получаем:

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y =

1

 

1

(−C1e

−t

+C2 5e

5t

−C1e

−t

−C2e

5t

)= −

1

C1e

−t

+C2e

5t

.

4

 

− x =

4

 

 

 

 

2

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда общее решение системы имеет вид:

x = C1e−t +C2e5t ;

y = − 12 C1e−t +C2e5t .

Где C1,C2 - произвольные постоянные.

Ответ: x = C1e−t +C2e5t ;

y = − 12 C1e−t +C2e5t .

35

y′ = u + xu′.

36

4.Пример решения варианта типового расчета

Задача 26. Найти общий интеграл дифференциального уравнения y′ = x2e−y 1.

Данное уравнение является уравнением с разделяющимися переменными

Тогда f (x) = x21−1 , g(y) = ey . Заметим, что g(y) ≠ 0. Разделяем переменные:

e−y dy = x2dx−1.

Интегрируя правую и левую части, получаем

∫e−y dy = ∫x2dx−1 .

После вычисления интегралов имеем: −e−y = 12 ln xx +−11 +C . Ответ: −e−y − 12 ln xx +−11 = C .

Задача 27. .Найти общий интеграл дифференциального уравнения

y′ = yy +− xx + xy .

Данное уравнение является однородным. Будем искать неизвестную функцию y(x) в виде y = xu . Тогда Подставляя y и y′в исходное уравнение, получаем:

u + x dudx = uu +−11 +u .

Полученное уравнение преобразуем к виду

dudx = 1x uu +−11 .

Разделяем переменные

(u +1) du = dx .

(u −1)

x

Интегрируем правую и левую части

37

∫((uu +−1)1) du = ∫dxx +ln C .

(В нашем случае произвольную постоянную удобнее обозначит не С, а ln C , где C ≠ 0. Вычисляя интегралы в правой и левой

частях уравнения, получаем

u + 2ln u −1 = ln x +lnC .

Потенцируя, имеем

eu (u −1)2 = Cx .

Избавляясь от знака модуля, получаем eu (u −1)2 = Cx .

Поскольку u = xy , то полученное соотношение может быть представлено в виде

 

y

 

 

 

y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex

 

 

−1 = Cx .

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Данное выражение преобразуем к виду

 

 

 

e

y

(y − x)2 = Cx3

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

Заметим, что в уравнении

du

=

1 u −1

, выражение

u −1

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

x u +1

 

u +1

 

при u1 =1. Следовательно, функция u =1 является решением дифференциального уравнения для неизвестной функции u(x), а значит, функция y = x является решением исходного

дифференциального уравнения.

y

Решение y = x содержится в решении e x (y − x)2 = Cx3 , если

положить С=0.

y

Ответ: e x (y − x)2 = Cx3 , где С – произвольная постоянная.

Задача 28. Найти решение дифференциального уравнения y′+(tgx)y = 2xcos x ,

удовлетворяющее начальному условию y(0)=1.

Вначале найдем общее решение этого уравнения. Будем искать y в виде y = uv . Тогда y′=u′v +uv′. Подставляя y и y′ в

38

исходное уравнение, получаем: u′v +uv′+(tgx)uv = 2xcos x;

(v′+vtgx)u +u′v = 2xcos x .

Выберем функцию v(x) из условия v′+vtgx = 0. Уравнение для функции v(x) является уравнением с разделяющимися

переменными. Найдем его решение: v′+vtgx = 0, dvv = −tgxdx;

∫dvv = −∫tgxdx; ln v = ln cos x ; v = cos x .

Найдем функцию u(x): u′cos x = 2xcos x; u′ = 2x ; u = ∫2xdx; u = x2 +C .

Тогда общее решение исходного уравнения имеет вид y = uv = (x2 +C)cos x .

Произвольную постоянную С определим из условия y(0) =1:

1 = C .

Ответ: y = (x2 +1)cos x.

Задача 29..Найти решение дифференциального уравнения

′

3

−2x

 

2

 

 

y + y =

2 e

 

y

 

,

удовлетворяющее начальному условию

y(0)=2.

 

 

 

 

 

 

Данное уравнение является уравнением Бернулли. Будем искать y в виде y = uv . Тогда, подставляя y и y′в исходное

 

 

 

 

 

′

 

 

 

′

3

 

−2x

2

 

2

:. Функцию v(x)

уравнение, получим u v +u(v

 

+v) = 2 e

 

u

v

 

определяем из условия:

dv

+v = 0; dv

= −dx;

∫dv

= −∫dx;

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

v

 

 

 

3

 

 

v

 

 

 

 

ln v = −x ; v = e

−x

 

 

 

 

 

′

 

−x

 

 

−2x

2

 

−2x

 

 

. Определим u(x): u e

=

2 e

 

 

u

e

 

;

du 3

−3x

 

du 3

 

−3x

 

1

 

1

 

 

−3x

 

 

 

 

u2 =

2 e

 

dx;

∫u2 =

2 ∫e

 

 

dx+С; −u = −

2 e

 

 

+C ;

 

u = −

 

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1 e−3x +C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

39

Следовательно, общее решение имеет вид y = −

 

e−x

 

 

. Из

−

1 e−3x +C

 

 

 

 

 

 

2

 

условия

 

y(0) = 2 определяем произвольную постоянную С:

2 = −

 

1

; С=0.

 

 

 

−

1

+C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

y = 2e2x .

 

 

 

Ответ:

 

 

 

Задача 30..Найти общее решение дифференциального уравнения y′′+ yx′ = 4 9x .

Это уравнение явно не содержит y . Обозначим y′ = z . Тогда: y′′ = z′. Подставляя в исходное уравнение, получаем

z′+ xz = 4 9x .

Уравнение для определения функции z(x) линейным дифференциальным уравнением первого порядка. Будем искать

z в виде z = uv. Тогда

z

′

=u v +uv

. Подставляя z

 

и z

′

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

′

 

 

 

uv

=

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

исходное уравнение, получаем:

u v +uv

+

 

4 x

;

 

 

 

(v

′

 

 

v

 

′

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ x)u +u v = 4

 

x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выберем функцию v(x) из условия v′+

= 0. Уравнение для

x

 

функции v(x) является уравнением с разделяющимися

 

 

 

переменными. Найдем его решение: v′+

v

 

0,

dv

 

 

dx

 

 

=

v = −

x

;

x

∫dv

= −∫dx ; ln v = −ln x; v =

1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

9

 

 

 

; u′ =

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем функцию u(x): u′ x

=

 

 

 

 

4

 

x ;

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

u = 9

 

 

3 x

 

+C .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx ; u =

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ∫

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

Тогда для функции

z = uv = 3 x

2

Так как y′ = z , то

z(x) имеем выражение

 

+C

1

= 3

 

+ C1 .

x

x

1

 

2

 

x

 

 

x

 

y =

∫

zdx +C

 

 

∫

 

3

 

+ C1 dx +C

 

= x

 

+C ln x

+C ., где

 

=

x

 

x

 

 

2

 

 

2

 

x

 

2

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1,C2 - произвольные постоянные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 31. Найти решение дифференциального уравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4y3 y′′ = y4 −1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

удовлетворяющее начальным условиям y(0)= 2 , y

(0)= 2 2 .

Так как исходное уравнение явно не содержит независимую

переменную x

, будем искать y

′

в виде

y

′

= p(y) . Тогда

y

′′

= p p .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

Подставляя y′′

и y′

в исходное уравнение, получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4y3 p dpdy = y4 −1.

Полученное для p(y) уравнение является уравнением с разделяющимися переменными. Найдем его решение:

 

dp

 

 

 

 

 

y4 −1

, 4 pdp =

y4 −1

dy , 4∫pdp = ∫

y4 −1

 

 

 

4 p dy

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dy ,

 

 

 

 

 

 

y3

 

 

y3

 

 

 

y3

 

 

 

 

2 p

2

=

y2

 

+

1

 

 

 

+C . Определим произвольную постоянную С.

 

2

 

 

 

2y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как при x = 0 имеем y(0) =

 

 

′

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, а y (0) = 2

2

 

 

 

p =

 

1

 

 

 

 

при y =

 

 

. Тогда

1

=1+ 1 +C , С=−1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p2

= y2 +

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

Следовательно,

 

 

−2 =

y −

 

или

p

=

 

y −

.

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

y

Знак плюс при извлечении корня выбран потому, что

41

′

 

1

 

 

- положительное число. Неизвестную функцию

 

 

 

 

y (0) = 2

2

 

 

1

 

 

y(x) определяем из уравнения y′ = y −

 

. Найдем его

 

 

y

 

 

 

dy

 

1

 

ydy

= dx ,

 

ydy

 

 

dx ,

решение:

 

= y −

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

=

 

dx

 

(y

2

−1)

∫(y

2

−1)

∫

1 ln(y2

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

−1) = x +C . Так как y(0) =

 

, то 0 = 0 +C , C = 0.

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, ln(y2 −1) = 2x , y = 1+e2x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: y =

1+e2x .

Задача

 

32.

Найти

решение дифференциального уравнения

 

′′

 

′

 

 

e−x

 

y

+3y

+ 2y = 2 +ex

, удовлетворяющее начальным условиям

 

 

y(0)= 0, y′(0)= 0 .

Найдем решение однородного уравнения. Составляем характеристическое уравнение: λ2 + 3λ + 2 = 0 . Найдем его корни: λ1 = −2,λ2 = −1. Однородное уравнение имеет два

линейно независимых решения y1 = e−2x и y2 = e−x . Частное

решение y ищем в виде

y = C1(x)e−2x +C2 (x)e−x , где функции C1(x) и C2 (x) удовлетворяют системе уравнений:

C1′e−2x +C2′e−x = 0, −2C1′e−2x −C2′e−x = 2e+−xex .

Решая систему, получаем: C1′ = −2 +exex , C2′ = (2 +1ex ) . Находим C1 и C2 : C1 = −∫2e+xdxex , C2 = ∫(2 dx+ex ) . Для вычисления первого интеграла сделаем замену переменной