- •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
111
Вариант № 11
1.Показать на рисунке интегральную кривую уравнения y′ = 3 + y2 , проходящую через точку М(1;2). Решить уравнение методом изоклин. Решить уравнения:
2.y(4+ex )dy −exdx = 0,
3.x dydx = 2x2 + y2 + y ,
4.dy = x + 2 y −3 , dx 4x − y −3
|
|
|
x |
|
|
|
y |
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|||
5. |
xe |
|
|
+ |
|
|
dx − |
x |
|
= 0. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Решить задачи Коши для уравнений: |
|
|
|||||||||||||||||
6. |
′ |
|
|
|
y |
12 |
, |
|
y(1) = 4, |
|
|
|
|
|
||||||
y |
− |
|
|
= − x3 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
x |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
7. |
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
, |
|
y(0) = |
1 |
|
|
|
|
|
|
y − y = 2xy |
|
|
2 . |
|
|
|
|
|
||||||||||||
8. |
Решить уравнение: tgx y′′ = y′. |
|
|
|
|
|||||||||||||||
9. |
Решить задачу Коши: |
y |
′′ |
3 |
, |
y(4) =1, |
′ |
|||||||||||||
= 32 y |
|
y (4) = 4. |
Решить уравнения:
10.y′′′− 4y′′ = 32 −384x2 ,
11.y′′′− 4y′′+3y′ = 4xex ,
12.y′′+ 4y′ =16sh4x ,
13.y′′+3y′+ 2 y = e−x /(2 +ex ).
14. |
Решить краевую задачу: |
′′ |
′ |
−3x |
cos5x , |
y(0) = 0 , |
π |
|
=1. |
|||
y +6 y +13y = e |
|
y |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
15. |
Найти собственные значения |
λ и собственные функции y задачи: |
|
|
||||||||
|
′′ |
+ λ |
2 |
y = 0, y(0) = 0, |
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
y (π / 2) = 0 . |
|
|
|
|
|
|
Решить уравнения:
16.x2 y′′−3xy′+5y = 3x2 ,
17.y′′+ y(x +1) =1.
Решить системы уравнений:
|
|
= |
|
2 |
′ |
|
z′ = y + 2z, |
|
′ = |
|
+ |
|
+ |
|
x |
|
||
18. |
z |
|
x |
|
y , |
19. |
|
′ |
= −2y + z. |
20. y |
|
y |
|
2z |
|
16xe |
|
, |
|
z′−6 y = 0. |
|
y |
|
z′ = 2 y − 2z. |
|
|
|
112
Вариант № 12
1.Показать на рисунке интегральную кривую уравнения yy′+ x = 0 , проходящую через точку М(-2;-3). Решить уравнение методом изоклин. Решить уравнения:
2.4− x2 y′+ xy2 + x = 0,
3.dy = y2 + 6 y + 6, dx x2 x
4.dydx = 2x3+y +y3−1,
5.xy2dx + y(x2 + y2 )dy = 0 .
Решить задачи Коши для уравнений:
6. |
′ |
2 y |
|
3 |
|
|
|
|
5 |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y + |
|
= x |
|
, |
y(1) = − |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
7. |
′ |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
−3y = −(20x |
|
+12)y |
|
, |
|
|
y(1) |
= |
|
2 . |
|
|
||||||||||||||
2xy |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
8. |
Решить уравнение: |
|
|
|
|
|
′′′ |
′′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
||||||||
|
x y |
= |
|
|
x |
|
||||||||||||||||||||
|
|
+ y |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
9. |
Решить задачу Коши: |
|
y |
3 |
|
′′ |
+16 |
|
= 0, |
|
|
|
y(1) = 2, |
′ |
||||||||||||
|
|
y |
|
|
|
|
y (1) = 2 . |
Решить уравнения:
10.yIV + 2 y′′′+ y′′ = 2 −3x2 ,
11.y′′′+ 4y′′+5y′+ 2 y = ex (12x +16),
12.y′′′−9y′ = −9e3x +18sin3x −9cos3x
13.y′′+ 4y = sin42x .
14. Решить краевую задачу: |
′′ |
, |
π |
|
=1. |
||
y |
|
|
|
||||
y + y = 2cos 7x , y(0) = 0 |
12 |
||||||
|
|
|
|
|
|
15. Найти собственные значения |
λ и собственные функции y задачи: |
||||||
′′ |
+λ |
2 |
y = 0 |
, |
′ |
, |
′ |
y |
|
y (0) = y(1) |
y (1) = y(0). |
Решить уравнения:
16.x2 y′′+ xy′− y = x3 ,
17.y′′+(x −1)y = x +1.
Решить системы уравнений:
18. |
y′ |
= z, |
|
19. |
2y′ = y − 4z, |
20. |
y′ = 2y − z, |
|
|
2 y. |
|
|
|||
|
x2 z′ = |
|
z′ = 3y −8z. |
|
z′ = z − 2y +18x. |
113
Вариант № 13
1. Показать на рисунке интегральную кривую уравнения y′ = (y −1)x, проходящую через точку М(1;3). Решить уравнение методом изоклин.
Решить уравнения:
2. 2xdx −2 ydy = x2 ydy −2xy2 dx,
3. x dy = 3y3 +8yx2 , dx 2 y2 + 4x2
4.dy = x +3y −4, dx 5x − y −4
5.xy2dx + y(x2 + y)dy = 0 .
Решить задачи Коши для уравнений:
|
′ |
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. |
+ x = 3x, |
|
|
|
|
y(1) =1, |
|
|
|
|
|
|||||
y |
3 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
7. |
+ 2xy = 2x |
y |
, |
y(0) = |
|
2 . |
|
|
|
|||||||
y |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
8. |
Решить уравнение: |
|
y |
tgx = y +1. |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′′′ |
|
′′ |
|
|
|
|
9. |
Решить задачу Коши: |
′′ |
+ |
32sin ycos |
3 |
y = 0, |
′ |
|||||||||
y |
|
y(0) = 0, y (0) = 4. |
Решить уравнения:
10.y′′′+ y′′ = 49− 24x2 ,
11.y′′′−6 y′′+9y′ = 4xex ,
12.y′′′+ 49y′ =14e7 x −49cos7 x,
13.y′′+ 4y = cos42x .
14. |
|
|
|
′′ |
′ |
π |
|
= 0 . |
|
|
|
|
y |
|
|
||||
Решить краевую задачу: y |
+ 2 y +5y = −cos x , y(0) =1, |
||||||||
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
15. |
Найти собственные значения λ и собственные функции y |
задачи: |
|
||||||
|
′′ |
+ λ |
2 |
y = 0, y(0) = y(π), |
′ |
|
|
|
|
|
y |
|
y (π) = 0. |
|
|
|
|
Решить уравнения:
16.x3 y′′′ + xy′ = x − 3x ,
17.y′′− xy′+ xy =1.
Решить системы уравнений:
18. |
xy′ = z, |
19. |
z′ = 4y − 4z, |
20. |
y′ = 2 y −4z, |
|
|
|
|
|
|||
|
xz′+ z + 4y = 0. |
|
y′ = 24y − |
4z. |
|
z′ = y −3z +ex. |
114
Вариант № 14
1. Показать на рисунке интегральную кривую уравнения |
′ |
= |
2x |
, про- |
||
3y |
|
|||||
y |
ходящую через точку М(1;1). Решить уравнение методом изоклин. Решить уравнения:
2. x1+ y2 dx + y1+ x2 dy = 0 ,
3. x dy = 3y32+ 4yx22 , dx 2 y + 2x
4.dy = x + 7 y −8 , dx 9x − y −8
5.1x+2xyy dx +1xy− xy2 dy = 0 .
Решить задачи Коши для уравнений:
|
′ |
|
y |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. |
y |
+ x |
= sin x, |
|
y(π) = |
π , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
7. |
|
|
′ |
|
2 |
lnx, |
y(1) = 3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
3(xy + y) = y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
8. |
Решить уравнение: |
(1+sin x)y |
′′′ |
′′ |
cos x. |
|
|
|
|||||||||||
|
|
= y |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 ′′ |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
′ |
|
|
9. |
Решить задачу Коши: |
4y |
= y |
−16, |
y(0) = 2 2 , |
|
|||||||||||||
y |
|
y (0) =1/ 2. |
Решить уравнения:
10.7 y′′′− y′′ =12x,
11.y′′′−3y′+ 2 y = (4x +9)e2x ,
12.y′′+64y = sin8x −e8x ,
13.y′′+16y = cos164x .
|
|
|
|
′′ |
′ |
+13y = e |
−3x |
cos x, y(0) =1, y(π /12) = 0 . |
14. Решить краевую задачу: y +6 y |
|
|||||||
15. Найти собственные значения |
λ и собственные функции y задачи: |
|||||||
′′ |
′ |
2 |
y = 0 , |
′ |
|
′ |
|
|
y |
−6λy +10λ |
|
y (0) = 0 , |
y (l) = 0. |
|
Решить уравнения:
16.x2 y′′− 4xy′+ 6 y = x2 − 1x ,
17.y′′+ ysin x = 0 .
Решить системы уравнений:
z′ = y, |
|
′ |
= |
y |
+ |
y |
, |
|
′ |
= |
2 y |
+ |
4y |
|
− |
8x, |
18. |
19. |
y |
|
|
20. |
y |
|
|
2 |
|
||||||
1 |
|
2 |
|
1 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
||||
x2 y′− xy − z = 0. |
|
y2′ = y1 + 2 y2 . |
|
y2′ = 3y1 + 6 y2 . |
|