- •ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА
- •Е.А.КОГАН
- •Москва 2007
- •Кафедра “Прикладная и вычислительная математика"
- •Е.А. Коган
- •Москва 2007
- •1.1. Основные понятия
- •Дифференциальным уравнением называется уравнение, в которое неизвестная функция входит под знаком производной или дифференциала.
- •Обыкновенное дифференциальное уравнение n-го порядка в самом общем виде записывается так:
- •Для дифференциальных уравнений первого порядка различают общее, частное и особое решения, а также общий, частный и особый интегралы.
- •Таким образом, общее решение дифференциального уравнения можно определить как множество всех частных решений уравнения.
- •Особым решением дифференциального уравнения называется решение, которое не может быть получено из общего решения ни при одном частном значении произвольной постоянной.
- •Часто при интегрировании уравнения первого порядка не удается найти общее решение в явном виде, а получается конечное (не дифференциальное) соотношение вида
- •Знание изоклин позволяет во многих случаях даже для не интегрируемых явно дифференциальных уравнений получить графическое решение задачи Коши и выявить характер интегральных кривых.
- •Пример. Построить методом изоклин интегральную кривую уравнения
- •Очевидно, это уравнение с разделенными переменными. Интегрируя его, получим
- •Следовательно, общий интеграл уравнения будет
- •Интегрируем полученное уравнение с разделенными переменными
- •Тогда
- •Полагаем
- •Тогда уравнение примет вид
- •Дифференциальное уравнение вида
- •В результате уравнение приводится к однородному
- •Возвращаясь к старой переменной, получим
- •Подставляя (1.14) в (1.12), получаем дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными относительно варьируемой функции v(x), интегрируя которое, находим эту функцию.
- •В результате, общее решение уравнения (1.12) может быть представлено в виде
- •Общее решение уравнения примет вид
- •Находим произвольную постоянную C из начального условия:
- •После разделения переменных получим
- •Тогда уравнение (1.18) примет вид
- •Следовательно,
- •Уравнением Бернулли называется уравнение вида
- •Уравнение вида
- •Следовательно, его общий интеграл, а значит, и общий интеграл уравнения (1.24) имеет вид
- •Это уравнение интегрируется непосредственно n раз. При каждом интегрировании порядок уравнения понижается на единицу, и появляется произвольная постоянная. В результате общее решение уравнения будет иметь вид
- •После интегрирования получим
- •Следовательно, общее решение уравнения (2.22) будет
- •Далее ищем решение уравнения (2.21) в форме, аналогичной по структуре выражению (2.23), но произвольную постоянную в (2.23) заменяем неизвестной функцией
- •Подставляя (2.24) в (2.21), получим
- •Отсюда следует
- •и с учетом (2.14)
- •N линейно независимых частных решений линейного однородного дифференциального уравнения n-го порядка образуют фундаментальную систему решений этого уравнения.
- •а общее решение запишется в виде
- •Рассмотрим его реализацию для линейных дифференциальных уравнений второго порядка:
- •Подстановка (2.42) в (2.40) приводит к следующей системе дифференциальных уравнений
- •Пример. Решить уравнение
- •Определитель этой системы
- •Поэтому для определения варьируемых функций согласно (2.44) получаем дифференциальные уравнения вида
- •Интегрируя уравнения (2.49), находим
- •Подставляя (2.50) в (2.48), получим общее решение уравнения в виде
- •Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка
- •Пример. Найти собственные значения и собственные функции однородной краевой задачи:
- •Подставляя это решение в граничные условия, убеждаемся в том, что они удовлетворяются только при
- •Подставляя это выражение в граничные условия, получим
- •Чтобы краевая задача имела ненулевые решения, необходимо принять
- •Пример. Найти собственные значения и собственные функции однородной краевой задачи для уравнения (2.51) при граничных условиях
- •Общее решение уравнения согласно (2.55) имеет вид
- •Вычисляем
- •Ненулевое решение ее существует тогда и только тогда, когда определитель системы равен нулю:
- •Раскрывая этот определитель, получим уравнение относительно параметра
- •корни которого являются собственными значениями задачи:
- •Уравнением Эйлера называется линейное уравнение вида
- •Пример. Решить уравнение
- •Уравнение (2.66) есть уравнение Эйлера второго порядка. Применим замену независимой переменной и производных по формулам (2.64), (2.65). Тогда уравнение примет вид
- •Его общее решение
- •Эти решения находятся методом подбора (см. выше) и имеют вид
- •Поэтому общее решение уравнения (2.67) будет
- •Пример. Решить задачу Коши для уравнения
- •Общее решение уравнения имеет вид
- •Будем искать частное решение однородной системы в виде
- •Подставляя (2.99) в (2.98), получим систему
- •Характеристическое уравнение системы будет
- •Общее решение однородной системы (2.98) запишется в виде
- •Этот метод применим к решению систем неоднородных линейных уравнений n-го порядка. Ограничимся для простоты нормальной системой двух линейных уравнений с постоянными коэффициентами
- •Пусть общее решение однородной системы уравнений известно:
- •Пример. Решить систему
- •Общее решение однородной системы, согласно (2.105), имеет вид
- •Принимаем частное решение системы (2.111) в виде
- •Интегрируя эти уравнения, получим
- •Общее решение системы запишется в виде:
- •Пусть требуется решить краевую задачу для уравнения
- •Будем искать решение задачи в виде
- •Задача сводится к решению дифференциального уравнения
- •Ограничиваясь двучленным приближением, будем искать решение уравнения в виде
- •Выбранные функции удовлетворяют всем перечисленным выше требованиям. Они линейно независимы, непрерывно дифференцируемы и удовлетворяют граничным условиям (2.125).
- •Решение методом Бубнова
- •Решение методом наименьших квадратов
- •Решение методом коллокаций
- •В результате находим
- •Операционное исчисление представляет собой своеобразный и эффективный метод решения различных математических задач, прежде всего, дифференциальных уравнений. В основе операционного исчисления лежит понятие преобразования Лапласа.
- •Согласно формулам Эйлера [7]
- •Учитывая формулу (3.3) и применяя теорему линейности, получим
- •Аналогично
- •Таблица 4
- •Применяя формулу (3.25), находим
- •Поэтому
- •то применяя теорему линейности, окончательно найдем
- •Разложение данной дроби на простейшие имеет вид
- •После приведения к общему знаменателю получим
- •Пусть дано неоднородное линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами
- •Пример. Решить операционным методом уравнение
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 1
- •Вариант № 1
- •Вариант № 2
- •Вариант № 3
- •Вариант № 4
- •Вариант № 5
- •Вариант № 6
- •Вариант № 7
- •Вариант № 8
- •Вариант № 9
- •Вариант № 11
- •Вариант № 12
- •Вариант № 13
- •Вариант № 14
- •Вариант № 15
- •Вариант № 16
- •Вариант № 17
- •Вариант № 18
- •Вариант № 19
- •Вариант № 20
- •Вариант № 21
- •Вариант № 22
- •Вариант № 23
- •Вариант № 24
- •Вариант № 25
- •Вариант № 26
- •Вариант № 27
- •Вариант № 29
- •ОПЕРАЦИОННОМУ ИСЧИСЛЕНИЮ
- •Таблица 2
- •Таблица 3
- •ЛИТЕРАТУРА
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ
- •РАБОТЫ ПО ОБЫКНОВЕННЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ
- •УРАВНЕНИЯМ……………………………………………………… 100
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ
- •РАБОТЫ ПО ОПЕРАЦИОННОМУ ИСЧИСЛЕНИЮ…………… 131
107
Вариант № 7
1. Показать на рисунке интегральную кривую уравнения y′ = y − x, прохо-
|
9 |
|
дящую через точку M |
2 |
;1 . Решить уравнение методом изоклин. |
|
|
Решить уравнения:
2.3 + y2 dx − ydy = x2 ydy,
3.x dydx = 2x2 + y2 + y ,
4.dy = x +3y + 4 , dx 3x −6
5. |
(x2 −4xy −2 y2 )dx +(y2 −4xy −2x2 )dy = 0 . |
|
||||||||||||||
|
Решить задачи Коши для уравнений: |
|
|
|||||||||||||
6. |
′ |
2x −5 |
= 5, |
y(2) = 4, |
|
|
|
|
|
|||||||
y − y |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
x2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||
7. |
′ |
|
(1+ x)e |
−x |
y |
2 |
, |
|
|
y(0) = 2 . |
|
|
||||
2(y + xy) = |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
8. |
Решить уравнение: |
|
|
x |
5 |
|
′′′ |
+ x |
4 |
′′ |
1, |
|
||||
|
|
|
y |
|
y |
= |
|
|||||||||
9. |
Решить задачу Коши: |
|
|
|
′′ |
|
3 |
+ 25 = 0, |
y(2) = −5, |
′ |
||||||
|
y y |
|
y (2) = −1. |
Решить уравнения:
10.y′′′+3y′′+ 2 y′ = 3x2 + 2x,
11.y′′′− y′′−2 y′ = (6x −11)e−x ,
12.y′′+ 25y = 20cos5x −10sin5x +5e5x ,
13.y′′−3y′+ 2 y =1/(3 + e−x ).
14.Решить краевую задачу:
′′ |
′ |
|
|
x |
|
|
|
π |
|
|
|
|
(−3sin x + 4cos x), y(0) =1, |
y = (12) = 0 . |
|||||
y |
− 4y +8y = e |
|
|||||||
15. Найти собственные значения |
λ и собственные функции y задачи: |
||||||||
′′ |
′ |
2 |
y = 0 , y(0) = 0 |
, y(l) = 0 . |
|
|
|
||
y |
+ 2λy +5λ |
|
|
|
|
Решить уравнения:
16.x2 y′′− xy′+ 2 y = xlnx,
17.(1− x)y′′−4xy′−2 y = 0.
Решить системы уравнений:
|
3 |
′ |
|
|
|
|
|
18. |
x′z |
|
+ xu = y, |
19. |
z′ = 2z − y, |
20. |
y′ = 2y − z, |
y = 2u |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
y′ = z + y. |
|
z′ = y + 2ex . |
|
u′ = z. |
|
|
|
|
108
Вариант № 8
1. Показать на рисунке интегральную кривую уравнения y′ = x + 2 y, проходящую через точку М(1;2). Решить уравнение методом изоклин. Решить уравнения:
2.(ex +8)dy − yexdx = 0 ,
3.dydx = 2xx+−2yy ,
4.dy = 2x +3y −5, dx 5x −5
|
|
1 |
|
y |
2 |
|
2 y |
|
||
5. |
|
+3 |
|
|
dy = 0 . |
|||||
|
2 |
|
4 |
|
3 |
|||||
|
|
x |
dx − |
x |
||||||
|
x |
|
|
|
|
|
|
Решить задачи Коши для уравнений:
6. |
′ |
2xy |
|
2x2 |
|
|
|
|
y(0) = |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||
1+ x2 |
= 1+ x2 , |
|
|
3 , |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
y + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
7. |
′ |
|
|
|
2 |
|
|
3 |
, |
|
|
1 |
|
. |
|
|
|||
2xy |
−3y = −(5x |
|
+3)y |
|
y(1) = |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|||||||||||||||
8. |
Решить уравнение: |
|
|
tgx y |
= 2 y |
|
|
, |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′′′ |
|
|
′′ |
|
|
|
|
||
9. |
Решить задачу Коши: |
|
|
′′ |
= 50y |
3 |
, |
y(3) =1, |
′ |
||||||||||
|
|
y |
|
|
|
y (3) = 5. |
Решить уравнения:
10.y′′′′+ 2 y′′′+ y′′ = x2 + x −1,
11.y′′′−5y′′+8y′−4y = (2x −5)ex ,
12.y′′−3y′ = 2ch3x,
13.y′′+ y = 8 ctgx.
14. |
Решить краевую задачу: |
|
′′ |
|
|
′ |
|
π |
|
= 0. |
|||||
|
y |
+ 2 y +5y = −sin2x , y(0) =1, |
y |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
15. |
Найти собственные значения |
|
λ и собственные функции y |
задачи: |
|
||||||||||
|
′′ |
′ |
+5λ |
2 |
y = 0 , |
y(0) = 0 , |
′ |
|
|
|
|||||
|
y |
+ 2λy |
|
y (l) = 0. |
|
|
|
||||||||
16. |
Решить уравнение: |
x |
2 |
′′ |
|
|
′ |
|
|
|
|
||||
y |
+ xy + y = 2sin(lnx), |
|
|
|
|||||||||||
17. |
Решить задачу Коши: |
|
′ |
|
2 |
− x, |
y(0) =1. Учесть пять членов |
|
|
||||||
y |
= y |
|
|
|
|||||||||||
|
разложения в степенной ряд. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Решить системы уравнений: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
18. |
x2 z′−3xz +5y = 0, |
19. |
|
y′ = y − z, |
20. y′ = 5y −3z, |
|
|
|
|||||||
|
y′ = z. |
|
|
|
|
|
z′ = z + y. |
z′ = y + z +5e−x. |
|
|
|
|
|
|
|
109 |
|
|
|
|
|
|
Вариант № 9 |
|
1. |
Показать на рисунке интегральную кривую уравнения y = y + x, прохо- |
|||||
|
|
|
|
|
′ |
|
|
дящую через точку М((2;1)).Решить уравнение методом изоклин. |
|||||
|
Решить уравнения: |
|||||
2. |
6xdx −6 ydy = 3x2 ydy − 2xy2 dx, |
|||||
3. |
x |
dy |
= |
3y3 +6 yx2 |
, |
|
dx |
2 y2 +3x2 |
|||||
|
|
|
|
4.dy = x −2 y +3 , dx − 2x − 2
5.dxy −(x + y2 ) dyy2 = 0 .
Решить задачи Коши для уравнений:
|
|
y |
x +1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
6. |
y′+ |
|
= ex |
|
|
, |
|
y(1) = e , |
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
x |
2x |
|
−1 |
|
|
|
|
|
|||||||
7. |
′ |
|
|
|
(2 +3cos x)y |
, |
y(0) =1. |
|
||||||||
2 y +3ycos x = e |
|
|
|
|||||||||||||
8. |
Решить уравнение: |
′′′ |
|
′′ |
1 |
0 |
, |
|
||||||||
x y |
− y |
|
+ x = |
|
||||||||||||
9. |
Решить задачу Коши: |
′′ |
18sin ycos |
3 |
y = 0, y(0) = 0, |
′ |
||||||||||
y + |
|
y (0) = 3. |
Решить уравнения:
10.y′′′′−3y′′′+3y′′− y′ = x −3 ,
11.y′′′+3y′′+ 2 y′ = (1−2x)e−x ,
12.y′′+ 49y =14sin7x + 2cos x ,
13.y′′+ y / 4 = 0,25ctg (x/ 2).
14. |
Решить краевую задачу: |
′′ |
′ |
x |
sin2x , y(0) = 0 |
, |
π |
|
=1. |
||||
y |
+ 2 y = 6e |
|
y |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
λ и собственные функции y |
4 |
|
|
|||
15. |
Найти собственные значения |
задачи: |
|
||||||||||
|
′′ |
′ |
2 |
y = 0, |
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
−2λy +5λ |
|
y (0) = 0 , y(l) = 0. |
|
|
|
|
Решить уравнения:
16.x2 y′′− xy′ = −x + 3x ,
17.y′′− x2 y = x2 .
Решить системы уравнений:
18. x2 z′− 4xz + 6 y = x, |
19. z′′= −y, |
20. y′′ = 2 y −3z, |
y′ = z. |
y = 3z + y. |
z = y −2z + 2sin x. |
110
Вариант № 10
1.Показать на рисунке интегральную кривую уравнения (x2 + 2)y′ = y, проходящую через точку М(2;2). Решить уравнение методом изоклин. Решить уравнения:
2.x5+ y2 dx + y4+ x2 dy = 0 ,
3.dy = x2 +2 xy − y2 , dx x − 2xy
4.dy = x +8y −9 , dx 10x − y −9
5.ydxx2 −(xy +1)dyx = 0 .
Решить задачи Коши для уравнений:
6. |
′ |
y |
|
= x |
2 |
, |
|
y(1) =1, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
y + |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
7. |
|
′ |
|
|
|
, y(1) = 3 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
3(xy + y) = xy |
|
|
+ y |
+ x = 0 . |
|
|
|
|
|||||||||
8. |
Решить уравнение: |
xy |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′′′ |
′′ |
|
|
|
|
|
|
9. |
Решить задачу Коши: |
′′ |
8sin |
3 |
ycos y, |
y(1) = |
π |
, |
′ |
||||||||
y |
= |
|
2 |
y (1) = 2 . |
Решить уравнения:
10.yIV + 2 y′′′+ y′′ =12x2 −6x,
11.y′′′−5y′′+ 7 y′−3y = (20 −16x)ex ,
12.y′′′−36 y′ = 6e6x −3cos 2x,
13.y′′−3y′+ 2 y =1/(2 + e−x ).
14. Решить краевую задачу:
′′ |
|
′ |
|
x |
(sin x − 2cos x), |
y(0) = 0, |
π |
|
=1. |
|
y |
− 4y +8y = e |
|
y |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
15. Найти собственные значения |
λ и собственные функции y задачи: |
|||||||||
′′ |
+9λ |
2 |
y = 0 , |
|
′ |
|
′ |
|
|
|
y |
|
|
y (0) = 0 , |
y (1) = 0 . |
|
|
|
Решить уравнения:
16.x2 y′′− xy′+ y = 6xlnx ,
17.y′′− xy′+ y = 2 .
Решить системы уравнений:
18. z = xy′, |
19. y′ = −2z − 2y, |
20. y′ = y + 2z, |
xz′ = y. |
z′ = y + z. |
z′ = y −5sin x. |