- •Числовые ряды. Основные сведения о рядах. 05.09.
- •Теорема Абеля.
- •Лекция № ?? 24.10.11
- •Линейные дифференциальные уравнения первого порядка.
- •Дифференциальные уравнения 2-го порядка
- •07.11.11. Уравнения второго порядка.
- •Продолжение. 14.11.11.
- •Линейные ур-ния с постоянными коэффициентами.
- •Линейные неоднородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.
Дифференциальные уравнения 2-го порядка
Y’’= f(x,y,y’), начальными условиями при Х=Хо для решения будут условия
Y=Yo, Y’=Y’o .
Геометрический смысл:
Через заданную точку плоскости с заданным тангенсом угла .
07.11.11. Уравнения второго порядка.
Рассмотрите, например,
ур-ние у''=2. Это ур-ние второго порядка.
Т.к.
функция f(x,y,y')=2,
fy(x,y,y')=0,
Определения
и непрерывны во всем пространстве
переменных (х,у,у'), то оно удовлетворяет
во всем пространстве требования
Коши.
Общее решение данного уравнения
найдем двукратным последовательным
интегрированием.
Последовательно
интегрируя, находим сначала первую
производную у'=2х+С1х+С2, где
С1 и С2 – произвольные
постоянные.
Геометрически общее
решение представляет собой семейство
парабол, причем так как оно зависит от
двух произвольных постоянных, то через
каждую точку плоскости проходит
бесконечное множество парабол, имеющих
различные касательные в этой точке.
Поэтому
для выделения одной параболы из
полученного семейства, кроме точки
(х0,у0), через которую проходит
парабола, нужно задать ещё угловой
коэффициент у0 касательной к
параболе в этой точке.
Найдем, например,
частное решение данного уравнения при
начальных условиях у│=1,у'(х=1)│=1.
Подставляя
эти значения в выражения для общего
решения – у=х+С1х+С2 и его
производной у'=2х+С1, для определения
С1 и С2, получаем систему
уравнений (общий знак системы) 1=1+С1+С2
1=2+С1
Откуда находим С1=-1
и С2=1.
Следовательно, искомым
частным решением является функция:
у=х2-х+1,
график которой - парабола, проходящая
через точку (1,1) с угловым коэффициентом
в этой точке, равном единице.
Уравнения второго порядка,
допускающие понижение
порядка.
Рассмотрим три частных
случая, когда решение уравнения с помощью
замены переменной сводится к решению
уравнения первого порядка.
Такое
преобразование уравнения называется
понижением порядка.
1) Уравнение вида
у''=f(x).
Уравнение
не содержит у и у'. Введем новую ф-цию
Z(x), полагая
z(x)=y'.
Тогда
z'(x)=y'',
и ур-ние превращается в ур-ние первого
порядка z'(x)=f(x)
с искомой ф-цией z(x).
Решая
его, находим: z(x)=∫f(x)dx+C1.
Т.к.
z(x)=y',
то y'=∫f(x)dx+C1.
Отсюда,
интегрируя ещё раз, получаем искомое
решение:
y=∫[f(x)dx]dx+C1x+C2,
где С1 и С2 – произвольные
постоянные.
Пример
1:
Найти общее решение ур-ния
у=х.
Решение: Полагая z(x)=y',
получаем ур-ния первого порядка
z'(x)=x.
Интегрируя
его, найдем z(x)=x2/2+C1.
Заменяя
z(x) на у' и
интегрируя ещё раз, находим искомое
общее решение:
y=∫[x2/2+C1]dx+C2=x2/6+C1x+C2.
2)
Ур-ние вида у''=f(x,y').
Ур-ние
не содержит у.
Положим, как и в
предыдущем случае, z(x)=y'',
и ур-ние преобразуется в ур-ние 1-го
порядка относительно z(x):
z'=f(x,z).
Решая его, найдем z(x)=
(x,C1)dx+C2,
где С1 и С2 – произвольные
постоянные.
Пример 2:
Найти
общее решение ур-ния у''-3*у/х=х.
Решение:
Полагая z(x)=y',
получаем линейное ур-ние первого порядка
z'-3*z/x=x.
Решая
его, найдем: z(x)=C1x3-x2.
Тогда
у'=С1х3-х2 и у=С1*х4/4-х3/3+С2
– искомое решение.
3) Ур-ние вида
y''=f(y,y').
Уравнение
не содержит х. Вводим новую функцию
z(y), полагая
y=z. Тогда
y''=d(y')/dx=dy'/dy*dy/dx=dz/dy*dy/dx=dz/dy*z(y).
Подставляя
в ур-ние выражения для у' и у'', получаем
ур-ние первого порядка относительно z
как функции от у.
z*dz/dy=f(y,z)
Решая
его, найдем:
z=
(y,C1).
Так как z=dy/dx,
то dy/dx=
(y,C1).
Отсюда
dy/
(y,C1)=dx.
Полученное
ур-ние с разделяющимися переменными,
из которого находим общее данного
уравнения:
∫dy/
(y,C1)=x+C2.
