- •Дифференциальные уравнения первого порядка. Примеры решений. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными
- •Однородные дифференциальные уравнения первого порядка
- •Однородные дифференциальные уравнения первого порядка
- •Как решить однородное дифференциальное уравнение?
- •Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Примеры решений
Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Примеры решений
На данном уроке мы рассмотрим алгоритм решения третьего типа дифференциальных уравнений, который встречается практически в любой контрольной работе – линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка. Для краткости их часто называют просто линейными уравнениями. Материал не представляет особых сложностей, главное, уметь уверенно интегрировать и дифференцировать.
Начнем с систематизации и повторения.
На что в первую очередь следует посмотреть, когда вам предложено для решения любое дифференциальное уравнение первого порядка? В первую очередь необходимо проверить, а нельзя ли у данного диффура разделить переменные? Если переменные разделить можно (что, кстати, далеко не всегда очевидно), то нужно использовать алгоритмы и приемы решения, которые мы рассмотрели на первом уроке – Дифференциальные уравнения первого порядка. Советую посетить этот урок чайникам и всем читателям, которые чувствуют, что их знания и навыки в теме пока не очень хороши.
Если переменные в ДУ разделить не удалось, переходим к следующему этапу – проверяем, а не является ли уравнение однородным? Проверку обычно выполняют мысленно или на черновике, с самим алгоритмом проверки и образцами решения однородных уравнений можно ознакомиться на втором уроке – Однородные дифференциальные уравнения первого порядка.
Если переменные разделить не удалось, и уравнение однородным не является, то в 90% случаев перед вами как раз линейное неоднородное уравнение первого порядка.
Линейное уравнение
первого порядка в
стандартной записи
имеет вид:
Что
мы видим?
1) В линейное уравнение
входит первая производная
.
2)
В линейное уравнение входит произведение
,
где
–
одинокая буковка «игрек» (функция), а
–
выражение, зависящее только
от «икс».
3)
И, наконец, в линейное уравнение входит
выражение
,
тоже зависящее только
от «икс».
В частности,
может
быть константой.
Примечание: Разумеется, в практических примерах эти три слагаемых не обязаны располагаться именно в таком порядке, их спокойно можно переносить из части со сменой знака.
Перед тем, как перейти к практическим задачам, рассмотрим некоторые частные модификации линейного уравнения.
– Как уже отмечалось,
выражение
может
быть некоторой константой
(числом),
в этом случае линейное уравнение
принимает вид:
– Выражение
тоже
может быть некоторой константой
,
тогда линейное уравнение принимает
вид:
.
В простейших случаях константа равна
+1 или –1, соответственно, линейное
уравнение записывается еще проще:
или
.
– Рядом с производной
может находиться множитель
,
зависящий только
от «икс»:
–
это тоже линейное уравнение.
Поехали.
Пример 1
Решить дифференциальное
уравнение
Решение: Данное уравнение является линейным и имеет простейший вид: .
Как решить линейное уравнение?
Существуют два способа решения. Первый способ – это так называемый метод вариации произвольной постоянной, если вас интересует именно он, пожалуйста, перейдите по ссылке. Второй способ связан с заменой переменной и подстановкой, иногда его называют методом Бернулли. В данной статье будет рассматриваться подстановки, он алгоритмически прост и понятен, и решение уравнения принимает чёткий трафаретный характер. Рекомендую начинающим.
В который раз у меня хорошая новость! Линейное дифференциальное уравнение можно решить одной-единственной заменой:
,
где
и
–
некоторые, пока
ещё неизвестные
функции, зависящие от «икс».
Коль скоро проводится
замена
,
то нужно выяснить, чему равна производная.
По правилу дифференцирования произведения:
Подставляем
и
в
наше уравнение
:
В чём состоит задача? Необходимо найти неизвестные функции «у» и «вэ», которые зависят от «икс». И как раз этому будут посвящены все последующие действия.
После подстановки
смотрим на два слагаемых, которые
располагаются вот на этих местах:
У
них нужно вынести за скобки всё, что
можно вынести. В данном случае:
Теперь нужно составить систему уравнений. Система составляется стандартно:
Приравниваем к
нулю то, что находится в скобках:
.
Если
,
тогда из нашего уравнения
получаем:
или
просто
.
Уравнения записываем
в систему:
.
Именно в таком порядке.
Система опять же решается стандартно.
Сначала из первого уравнения находим функцию . Это простейшее уравнение с разделяющимися переменными, поэтому его решение я приведу без комментариев.
Функция найдена. Обратите внимание, что константу на данном этапе мы не приписываем.
Далее подставляем
найденную функцию
во
второе уравнение системы
:
Да тут ништяк, экспоненты сокращаются, и получается диффур, даже не простейший, а для студенток муз-педа.
Из второго уравнения
находим функцию
.
Функция
найдена.
А вот здесь уже добавляем константу
.
Ха. А задача-то решена!
Вспоминаем, с чего всё начиналось:
.
Обе функции найдены:
Записываем общее
решение:
В ответе можно раскрыть скобки, это дело вкуса:
Ответ:
общее решение
Проверка выполняется по той же технологии, которую мы рассматривали на уроке Дифференциальные уравнения первого порядка.
Берём полученный ответ
и
находим производную:
Подставим
и
в
исходное уравнение
:
Получено
верное равенство, таким образом, общее
решение найдено правильно.
Пример 2
Найти общее решение
дифференциального уравнения
Решение:
Данное уравнение имеет «классический»
вид
линейного
уравнения. Проведем замену:
и
подставим
и
в
исходное уравнение
:
После подстановки проведем вынесение множителя за скобки, какие два слагаемых нужно мучить – смотрите предыдущий пример. Хотя, наверное, все уже поняли:
Составляем систему.
Для этого приравниванием к нулю то, что
находится в скобках:
,
автоматически получая и второе уравнение
системы:
В результате:
.
Из первого уравнения
найдем функцию
:
–
найденную функцию
подставим
во второе уравнение системы
:
Теперь
находим функцию
.
Уравнение опять получилось простенькое:
Обе функции найдены:
Таким
образом:
Общее решение:
Ответ:
общее решение:
Желающие могут выполнить проверку, для проверки в ответе лучше предварительно раскрыть скобки.
Пример 3
Найти общее решение
дифференциального уравнения
Это пример для самостоятельного решения, полное решение и ответ в конце урока.
Если у вас возникли (или возникнут) проблемы технического характера, пожалуйста, вернитесь к первому уроку Дифференциальные уравнения первого порядка.
Как видите, алгоритм решения линейного уравнения довольно прост. В чем особенность решения линейных уравнений? Особенность состоит в том, что практически всегда в ответе получается общее решение, в отличие, например, от однородных уравнений, где общее решение хорошо выражается крайне редко и ответ приходится записывать в виде общего интеграла.
Рассмотрим что-нибудь с дробями
Пример 4
Найти частное решение
дифференциального уравнения
,
удовлетворяющее начальному условию
Напоминаю, что такая постановка вопроса также называется задачей Коши.
Решение: Алгоритм решения полностью сохраняется, за исключением того, что в конце прибавится один небольшой пунктик.
Обратите внимание, что
уравнение представлено не совсем в
стандартной форме. Этого в данном случае
можно не делать, но я все-таки рекомендую
всегда
переписывать уравнения в привычном
виде
:
Данное ДУ является
линейным, проведем замену:
Типовой
вынос за скобки:
Составим и решим
систему:
Из первого уравнения
найдем
:
–
подставим найденную функцию во второе
уравнение системы и найдем функцию
:
Здесь
интеграл взят методом
подведения функции под знак дифференциала.
Обе функции найдены,
таким образом, общее решение:
На заключительном этапе нужно решить задачу Коши, то есть найти частное решение, удовлетворяющее начальному условию . Как находить частное решения для диффура первого порядка, мы очень подробно рассмотрели на уроке Дифференциальные уравнения первого порядка.
В данном случае:
Ответ:
частное решение:
А вот проверку частного
решения еще раз повторим. Сначала
проверяем, действительно ли выполняется
начальное условие
?
–
да, начальное условие выполнено.
Теперь берём полученный
ответ
и
находим производную. Используем правило
дифференцирования частного:
Подставим
и
в
исходное уравнение
:
Получено
верное равенство, значит, задание
выполнено верно.
Пример 5
Найти решение задачи
Коши
,
Это пример для самостоятельного решения, полное решение и ответ в конце урока.
Перейдем к рассмотрению «частных видов» линейных уравнений, о которых шла речь в начале урока.
Пример 6
Найти решение задачи
Коши для данного дифференциального
уравнения
,
Решение: В
данном уравнении слагаемые опять не на
своих местах, поэтому сначала пытаемся
максимально близко приблизить диффур
к виду
:
Что здесь особенного?
Во-первых, в правой части у нас константа
.
Это допустимо. Во-вторых, рядом с
производной есть множитель
,
который зависит только от «икс». Это
тоже допустимо. Из-за этих особенностей
линейное уравнение не перестает быть
линейным.
Алгоритм решения полностью сохраняется за исключением пары нюансов в самом начале.
Проведем замену:
Теперь следовало бы
выполнить вынесение множителя за скобки.
Прозвучит каламбурно, но сначала нам
нужно раскрыть скобку, поскольку одно
из нужных нам слагаемых недоступно:
Вот теперь проводим
вынесение множителя скобки:
Обратите
внимание на тот факт, что за скобки мы
вынесли не только функцию
,
но еще и «икс». Всё,
что можно
вынести за скобки – выносим.
Составим и решим
систему:
Из первого уравнения
найдем
:
–
подставим во второе уравнение системы:
Таким образом, общее
решение:
Найдем
частное решение, соответствующее
заданному начальному условию:
Ответ:
частное решение:
Пример 7
Найти частное решение
ДУ
,
Это пример для самостоятельного решения.
Какие трудности встречаются в ходе решения линейного уравнения? Основной камень преткновения состоит в том, что может появиться довольно сложный интеграл. Как правило, неприятный интеграл появляется при нахождении функции (в то время как с нахождением функции обычно проблем не возникает).
Рассмотрим пару примеров с такими интегралами.
Пример 8
Найти общее решение
ДУ
Решение:
Сначала приводим линейное уравнение к
родному виду
:
Уравнение кажется простым, но, как я уже отмечал, впечатление может быть обманчивым. Не редкость, когда «страшный» диффур на самом деле оказывается несложным, а «легкий» на вид диффур вызывает мучительную боль за бесцельно прожитые часы.
Проведем замену:
Составим
и решим систему:
.
Из первого уравнения
найдем
:
–
подставим найденную функцию во второе
уравнение:
Такой интеграл, кстати,
еще нигде не встречался в моих уроках.
Он берется по частям. Вспоминаем формулу
интегрирования по частям:
.
Но, вот незадача, буквы
и
у
нас уже заняты, и использовать те же
самые буквы в формуле – не есть хорошо.
Что делать? Используем ту же формулу,
но с другими буквенными обозначениями.
Можно выбрать любые другие буквы, я
привык записывать правило с «а» и «бэ»:
Интегрируем по частям:
Если возникли трудности или недопонимание, освежите знания на уроках Метод замены переменной и Интегрирование по частям.
Таким образом:
Ответ:
общее решение:
Давненько я не вспоминал интегрирование по частям, даже ностальгия появилась. А поэтому еще один пример для самостоятельного решения. Какой пример? Конечно же, с логарифмом! Ну а чего еще от меня можно было ожидать? =)
Пример 9
Найти общее решение
дифференциального уравнения
В предложенном примере
проявлена небольшая вольность для
любознательных фанатов матана. Нет,
алгоритм остался точно таким же, просто
я сразу начал решать диффур, не перенеся
предварительно
в
правую часть. Полное решение и ответ в
конце урока.
В моей коллекции есть уравнения и с более трудными интегралами, но сейчас речь идет о дифференциальных уравнениях. В этой связи я намеренно не включил в урок такие задачи, все-таки интегралы изучаются в другой теме.
Надеюсь, мои примеры и объяснения были полезны, до скорых встреч!
Решения и ответы:
Пример 3: Решение:
Данное уравнение является линейным
неоднородным, проведем замену:
Составим
и решим систему:
Из
первого уравнения найдем
:
–
подставим во второе уравнение
системы:
Таким
образом:
Ответ:
общее решение:
Пример 5: Решение:
Данное уравнение является линейным
неоднородным, замена:
Составим
и решим систему:
.
Из
первого уравнения найдем
:
–
подставим во второе уравнение
системы:
Общее
решение:
Найдем
частное решение, соответствующее
заданному начальному условию:
Ответ:
частное решение:
Пример 7: Решение:
Данное уравнение является линейным
неоднородным, замена:
(раскрыли
только левые скобки!)
Составим
и решим систему:
.
Из
первого уравнения найдем
:
–
подставим во второе уравнение:
(Примечание:
здесь использовано основное логарифмическое
тождество:
).
Таким
образом, общее решение:
Найдем
частное, соответствующее заданному
начальному условию:
Ответ:
частное решение:
Пример 9: Решение:
Данное ДУ является линейным, проведем
замену:
Решим
систему:
Из
первого уравнения найдем
:
–
подставим во второе уравнение:
Интегрируем
по частям:
Таким
образом:
Ответ:
общее решение:
