- •Лекція 16: економічна динаміка та її моделювання: диференціальні та різницеві рівняння
- •13.1. Звичайні диференціальні рівняння. Загальні поняття та означення теорії диференціальних рівнянь першого порядку
- •13.2.Рівняння з відокремлюваними змінними
- •13.3.Однорідні диференціальні рівняння
- •13.4Лінійні диференціальні рівняння
- •13.5.Рівняння у повних диференціалах
- •Рівняння вигляду , що не містить незалежної змінної.
- •13.6. Загальні поняття та означення теорії диференціальних рівнянь вищих порядків
- •13.7.Диференціальні рівняння вищих порядків, що допускають зниження порядку
- •Рівняння вигляду , що не містить шуканої функції ( ).
- •Рівняння вигляду , яке є однорідним відносно .
- •13.8. Лінійні диференціальні рівняння другого порядку
- •13.9. Лінійні диференціальні рівняння вищих порядків
- •13.10. Лінійні диференціальні рівняння вищих порядків зі сталими коефіцієнтами
13.2.Рівняння з відокремлюваними змінними
Диференціальне рівняння вигляду
,
(13.1)
де
- відомі неперервні функції, називається
рівнянням
з відокремленими змінними.
З
(1) маємо рівність двох диференціалів
,
невизначені інтеграли від яких
відрізняються на постійний доданок,
тому
.
(13.2)
Рівняння (2) є загальним інтегралом диференціального рівняння (1).
Диференціальне рівняння вигляду
,
(13.3)
де
- відомі неперервні функції, називається
рівнянням
з відокремлюваними змінними.
За
умови
це рівняння зводиться до (13.1) шляхом
ділення його на добуток
:
,
звідки дістають загальний інтеграл рівняння (13.3)
.
Рівняння
доцільно дослідити окремо (ці рівняння
можуть визначати особливі розв’язки
рівняння (13.3).
Диференціальне рівняння з відокремлюваними змінними, що розв’язане відносно похідної, має вигляд:
,
(13.4)
де
-
відомі неперервні функції. Якщо
,
то загальним інтегралом рівняння (13.4)
буде
.
Рівняння
досліджується окремо.
Приклад
3.
Розв’язати
диференціальне рівняння
.
Задане
рівняння є рівнянням з відокремлюваними
змінними, тому поділимо його на
,
вважаючи, що
:
.
Інтегруємо одержане рівняння:
,
,
,
.
Останнє
співвідношення є загальним інтегралом
диференціального рівняння. В ньому
містяться частинні розв’язки
(при
),
втрачені внаслідок відокремлення
змінних.
Приклад
4.
Розв’язати
диференціальне рівняння
.
Зведемо рівняння до вигляду (13.3)
;
.
Останнє
рівняння є рівнянням з відокремлюваними
змінними, ділимо його на
,
вважаючи
:
.
Інтегруємо одержане рівняння з відокремленими змінними
;
.
Загальний
інтеграл одержано за умови
.
Легко перевірити, що
є особливим розв’язком
рівняння (перетворює рівняння у
тотожність, але не міститься у загальному
інтегралі), а
- не є розв’язком
рівняння.
13.3.Однорідні диференціальні рівняння
Функція
називається однорідною
виміру
,
якщо для будь-якого
справджується тотожність
.
Диференціальні рівняння вигляду
, (13.5)
,
(13.6)
де
- неперервна однорідна функція нульового
виміру,
- неперервні однорідні функції одного
й того самого виміру, називаються
однорідними.
Рівняння
(5), (6) зводяться до рівняння з відокремлюваними
змінними за допомогою підстановки
або
,
де
- нова невідома функція. Дійсно,
або
та, враховуючи однорідність заданих
функцій, тобто
,
одержують рівняння (5), (6) відповідно у
вигляді
,
,
де змінні легко відокремлюються.
До однорідних рівнянь зводяться рівняння вигляду
.
(13.7)
Якщо
,
то (13.7) є однорідним, якщо
або
,
то роблять заміну
,
де
- деякі сталі. Враховуючи співвідношення
одержують (13.7) у вигляді
.
(13.8)
Сталі
підбирають так, щоб пара
була розв’язком
системи
(13.9)
або точка була точкою перетину відповідних прямих. Тоді рівняння (13.8) стає однорідним:
.
(13.10)
Розв’язавши рівняння (13.10), повертаються до змінних .
Якщо
система (13.9) несумісна, тобто
,
то
та
.
(13.11)
Тоді
за допомогою підстановки
рівняння (13.11) зводять до рівняння з
відокремлюваними змінними. Дійсно,
враховуючи рівність
,
одержують рівняння (13.11) у вигляді
.
Той самий підхід можна застосовувати до інтегрування рівняння вигляду
,
де
- деяка неперервна функція.
Приклад
5.
Розв’язати
задачу Коші
.
Маємо
однорідне рівняння типу (5), де
є однорідною функцією нульового виміру,
бо
,
тому застосовуємо заміну
:
;
.
Відокремлюємо змінні та інтегруємо рівняння:
;
;
;
.
Повертаючись
до змінних
,
одержимо загальний інтеграл у вигляді
.
У ньому не міститься розв’язок
.
Зауважимо, що
не можна виразити явно із загального
інтеграла, але можна виразити
як функцію від
:
.
Для
знаходження розв’язку
задачі Коші покладемо у загальному
інтегралі
,
одержимо
,
звідки
.
Отже,
є частинним інтегралом рівняння, що
задовольняє задану початкову умову.
Приклад
6.
Розв’язати
диференціальне рівняння
.
Запропоноване рівняння є таким, що зводиться до однорідного, тому робимо заміну . Сталі визначаємо як розв’язок системи
звідки
та
.
У
нових змінних рівняння стає однорідним
вигляду
.
Робимо заміну
,
яка приводить до
або
.
Відокремлюємо змінні та інтегруємо рівняння:
;
;
.
Повертаємось
до змінних
,
а потім до
:
;
.
Останнє
рівняння є загальним інтегралом заданого
диференціального рівняння. Зауважимо,
що
не є розв’язком цього рівняння
(перевіряється безпосередньо).
Приклад
7.
Розв’язати
диференціальне рівняння
.
Рівняння
можна звести до однорідного, якщо зробити
заміну
,
тоді матимемо
або
.
Відокремлюємо змінні та інтегруємо одержане рівняння
;
.
Загальний інтеграл рівняння в змінних матиме вигляд
.
Крім
того дане рівняння має особливий
розв’язок,
а саме, інтегральну криву
,
яка в загальному інтегралі не міститься.
