- •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
127
Вариант № 27
1. Нарисовать интегральную кривую уравнения |
y |
′ |
= x |
2 |
− y, проходящую |
|
|
через точку М(2;3/2).Решить уравнение методом изоклин. Решить уравнения:
2.x1+ y2 + yy′1+ x2 = 0 ,
3.2 y′ = y2 / x2 + 6 y / x +3 ,
4.y′ = (x + 7 y −8)/(2x − y −8) ,
5. |
3x2 + 2cos(2x/ y) dx − |
2x cos(2x/ y) |
dy = 0, . |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
y |
2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Решить задачи Коши для уравнений: |
|
|
|
|
|
|||||||||||
6. |
′ |
+ y / 2 x = x |
2 |
, |
|
|
|
|
y(1) =1. |
|
|
|
|
|
|||
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
7. |
′ |
+ xy = (1+ x)e |
−x |
y |
2 |
, |
y(0) =1. |
|
|
|
|
|
|||||
y |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
8. |
Решить уравнение: |
|
|
2xy |
= y . |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′′′ |
|
′′ |
|
|
|
|
|
9. |
Решить задачу Коши: |
|
′′ |
|
|
3 |
y = 0 |
, y(0) = 0 |
, |
′ |
|||||||
y + 2sin ycos |
|
y (0) =1. |
Решить уравнения:
10.y′′′′− y′′′ = 5(x + 2)2 ,
11.y′′′+ 4y′′+ 4y′ = (9x +15)ex ,
12.y′′+9y = −sin3x −6e3x ,
13.y′′+ y = 4ctgx .
14.Решить краевую задачу:
′′ |
′ |
x |
(sin x +cos x), |
y(0) = 0, y(π / 2)=1. |
y |
+ 2 y = e |
|
15. Найти собственные значения λ и собственные функции y задачи:
|
′′ |
+ λ |
2 |
y = 0 |
|
|
′ |
|
|
|
|
y |
|
|
, y(0) = 0, y (1) = y(1). |
|
|
||||
|
Решить уравнения. |
|
|
|
|
|||||
16. |
x |
3 ′′′ |
|
′ |
−6 y = x |
2 |
, |
|
|
|
|
y |
+3xy |
|
|
|
|||||
17. |
|
′′ |
|
′ |
|
|
|
|
|
|
y − xy −2 y = 0 . |
|
|
|
|
||||||
|
Решить системы уравнений: |
|
|
|||||||
18. |
(x −1)2 z′−(x −1)z + y = 2(x −1)3 , 19. |
y′ = 2z + y, |
20. |
|||||||
|
y′ = z. |
|
|
|
|
z′ = 2 y − z. |
|
y′ = 4y −3z +sin x,
z′ = 2 y − z.
128
Вариант № 28
1. Нарисовать график интегральной кривой уравнения y′− y = 0, проходящей через точку М(0;1). Решить уравнение методом изоклин.
Решить уравнения:
2.sin xdx/(1+cos y) = cos2 x(1−cos y)dy,
3.(2y2 x + x3 )dy = (2 yx2 +3y3 )dx,
4.(3x + 2 y −1)dy −(4y + 4)dx = 0,
5.(y / x +sin x)dx +(lnx +cos y)dy = 0 .
Решить задачи Коши для уравнений:
6. |
′ |
+ 2 y = −x |
2 |
, y(1) = 2. |
|
|
|
|
||
y x |
|
|
|
|
|
|||||
7. |
′ |
|
|
|
4 |
, y(2) =1. |
|
|
|
|
3y +5y / x = (4−5x) y |
|
= y . |
|
|
||||||
8. |
Решить уравнение: |
|
(tg |
2x)y |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
′′ |
′ |
|
|
9. |
Решить задачу Коши: |
|
′′ |
′ 2 |
, |
y(0) = 3, |
′ |
|||
|
y |
= y y |
y (0) = 9. |
Решить уравнения:
10.y′′′+ 2 y′′+ y′ = x2 −1,
11.y′′ − 2 y′ + y = (2x +1)e3x ,
12.y′′−64y = sin8x −e3x ,
13.y′′ − y = exe+x 1.
14.Решить краевую задачу:
′′ |
y(0) =1, y(1)= 2 . |
y + 4y = cos 2x, |
15. Найти собственные значения λ и собственные функции y задачи:
′′ |
+ λ |
2 |
y = 0 |
, y(0) = 0, |
′ |
y |
|
y (l) = 0. |
Решить уравнения:
16.x2 y′′+ 4xy′− 2 y = x +1.
17.y′′+ xy′+ y =1,
Решить системы уравнений:
18. x2 z′−4xz +6 y = 4x, |
19. y′+ 4y + 2z = 0, |
y′ = z. |
z′ = z + y. |
y′ = z + 4sin x,
20. z′ = 3y + z.
129
Вариант № 29
1. Нарисовать график интегральной кривой уравнения y′+ 2 y = x , проходящей через точку М(1;1). Решить уравнение методом изоклин.
Решить уравнения:
2.сosxdx/(1−sin y) = sin3 x(1+sin y)dy,
3.(5x3 + 2 y2 x)dy −(3y3 +10x2 y)dx = 0,
4.(x −1)dy −(x + 2 y − 2)dx = 0 ,
5.[sin(x + y) − x2 ]dx +[sin(x + y) + y]dy = 0 .
Решить задачи Коши для уравнений:
6. |
′ |
|
|
2 |
x , |
y(π / 4) =1/ 4. |
|
|
||||
ctgx y + y = cos |
|
|
|
|||||||||
7. |
′ |
2 |
, |
|
|
y(1) = 2. |
|
|
|
|
||
y + y / x = y |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
8. |
Решить уравнение: |
y′′ + y′ = x. |
|
|
|
|||||||
9. |
Решить задачу Коши: |
y |
′′ |
′ |
3 |
, |
y(0) =1, |
′ |
||||
|
= 4y y |
|
y (0) =1. |
Решить уравнения:
10.y′′′− 2 y′′ = 8x2 ,
11.y′′′+ y′′−5y′+3y = (2 −3x)e−x ,
12.y′′′−25y′ = sin2x −e6x ,
13.y′′+ 2 y′+ y = e−x / x .
14.Решить краевую задачу:
′′ |
′ |
2 |
−1 |
, |
y(0) =1, y(π / 2)= 0. |
y |
+ 2 y = x |
|
15. Найти собственные значения λ и собственные функции y задачи:
′′ |
′ |
2 |
y = 0 |
, y(0) = 0 |
, y(l) = 0 . |
y |
+10λy + 26λ |
|
Решить уравнения:
16.x2 y′′+ 6xy′+ y = x2 + 2 ,
17.y′′+ 2xy′+ y = x −1,
Решить системы уравнений:
|
′ |
|
y′ |
= 2y |
+ y |
|
, |
|
y′ |
= y + y |
|
+ 4x, |
18. |
z = xy , |
19. |
2 |
20. |
2 |
|||||||
|
1 |
1 |
|
|
1 |
1 |
|
|||||
|
xz′ = y + x2 . |
|
y2′ = y1 + 2 y2 . |
|
y2′ = 2 y1 − y2 . |
130
Вариант № 30
1. Нарисовать график интегральной кривой уравнения y′− y = 2 , проходя-
щей через точку М(2;1). Решить уравнение методом изоклин.
Решить уравнения:
2.(1+сosx)sin y +1dx = cos ydy /(1+ cos x),
3.(x2 + xy)dy −(2xy + y2 )dx = 0 ,
4.(3x + 2 y −5)dy + (8 − 4y)dx = 0 ,
5.(e y +1)dx + (sin y + xe y )dy = 0 ,
6. |
Решить задачи Коши для уравнений: |
|
|
|||||||
x y |
− y = −lnx, |
y(2) =1. |
|
|
|
|||||
|
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. |
′ |
|
2 |
, |
y(0) =1. |
|
|
|
||
y −2 y = xy |
|
|
|
|
||||||
8. |
Решить уравнение: |
y |
− |
(ctgx)y |
= ctgx. |
|
|
|||
9. |
Решить задачу Коши: |
′′′ |
|
′′ |
|
y(0) =π / 2, |
y (0) =1/ 2 . |
|||
y |
= y sin ycos y , |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
′′ |
′ |
|
|
′ |
Решить уравнения:
10.y′′+ 4y′ = 2x2 ,
11.y′′′−5y′′+7 y′−3y = (4x +5)ex ,
12.y′′−4y′ = e2x +cos 2x −sin x,
|
′′ |
|
′ |
|
|
|
ex |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
13. y |
− 2 y |
+ y = 1+ x2 . |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|||||||||
14. Решить краевую задачу: |
|
|||||||||||
|
′′ |
|
′ |
+5y = e |
5x |
(x + |
1), |
y(0) =1, y(1)=1. |
||||
y |
−6 y |
|
15. Найти собственные значения λ и собственные функции y задачи:
′′ |
′ |
2 |
y = 0 |
, y(0) = 0 |
, y(1) = 0 . |
y |
+12λy + 40λ |
|
Решить уравнения:
16.x2 y′′+8xy′− 4y = 2lnx,
17.y′′+ xy′+ 2 y = x2 .
Решить системы уравнений:
2 |
|
2 |
|
18. x′z′− |
3xz +5y = 4x |
|
, 19. |
y = z. |
|
|
|
y1′ = y2 + y3 ,y2′ = y1 + y3 ,y3′ = y1 + 2 y2 .
20. y1′ = y2 − 2 y1 − x2 ,y2′ = 4y1 +3x.