
- •Производные. Дифференциальные уравнения
- •680035, Хабаровск, ул.Тихоокеанская, 136.
- •680035, Хабаровск, ул.Тихоокеанская, 136. Цель и задачи работы
- •1. Вычисление производных
- •1.1 Функции дифференцирования выражений diff и Diff
- •1.2 Дифференциальный оператор d
- •2. Решение дифференциальных уравнений
- •2.1. Решение системы простых дифференциальных уравнений
- •2.2. Численное решение дифференциальных уравнений
- •2.3. Решение задачи Коши или краевой задачи
- •3. Инструментальный пакет решения дифференциальных уравнений dЕtools
- •Задание
- •Библиографический список
- •Оглавление
Задание
1. Найти производную f’(x) функции f(x), используя функцию diff.
Вариант |
Функция |
Вариант |
Функция |
1 |
|
16 |
|
2 |
|
17 |
|
3 |
|
18 |
|
4 |
|
19 |
|
5 |
|
20 |
|
6 |
|
21 |
|
7 |
|
22 |
|
8 |
|
23 |
|
9 |
|
24 |
|
10 |
|
25 |
|
11 |
|
26 |
|
12 |
|
27 |
|
13 |
|
28 |
|
14 |
|
29 |
|
15 |
|
30 |
|
2. Найти производную f’ функции f, используя дифференциальный оператор, затем найти производную в точке х.
вариант |
|
вариант |
|
вариант |
|
1 |
sin; x = π |
11 |
ch; x = 2,2 |
21 |
e; x = 0,5 |
2 |
cos; x = π/2 |
12 |
sh; x = 2,8 |
22 |
arcctgh; x = 1,5 |
3 |
tg; x = 2 |
13 |
tgh; x = 0,7 |
23 |
arcsinh; x = 0,8 |
4 |
ctg; x = 2,5 |
14 |
ctgh; x = 0,8 |
24 |
arccosh; x = 1,2 |
5 |
ln; x = 3 |
15 |
sec; x = 0,5 |
25 |
arctgh; x = 1,5 |
6 |
sin2; x = 2,5 |
16 |
csc; x = 1,5 |
26 |
e2; x = 0,8 |
7 |
cos2; x = 3π/2 |
17 |
arcctg; x = 0,3 |
27 |
arcsech; x = 1,8 |
8 |
tg2; x = 0,6 |
18 |
arcsin; x = 1,5 |
28 |
arccsch; x = 1,2 |
9 |
ctg2; x = 0,8 |
19 |
arccos; x = 0,2 |
29 |
arcsec; x = 1,7 |
10 |
ln2; x = 2,7 |
20 |
arctg; x = 0,1 |
30 |
arccsc; x = 1,3 |
3. Найти первые и вторые производные:
а) f’(x,y) по х;
б) f’(x,y) по y;
в) f”(x,y) по х;
г) f”(x,y) по y;
д) f”(x,y) по х и y.
вариант |
|
вариант |
|
1 |
|
16 |
|
2 |
|
17 |
|
3 |
|
18 |
|
4 |
|
19 |
|
5 |
|
20 |
|
6 |
|
21 |
|
7 |
|
22 |
|
8 |
|
23 |
|
9 |
|
24 |
|
10 |
|
25 |
|
11 |
|
26 |
|
12 |
|
27 |
|
13 |
|
28 |
|
14 |
|
29 |
|
15 |
|
30 |
|
4. Решить дифференциальное уравнение первого порядка
вариант |
|
вариант |
|
1 |
xy' – y = x2 cos x |
16 |
y' + 2y/x = 3x2 y4/3 |
2 |
y' + 2xy = xe-x |
17 |
4xy’ + 3y = -exx4y5 |
3 |
y' cos x + y = 1 – sin x |
18 |
y' + y = ex/2y1/2 |
4 |
(1 + x2) y’ + y = arctg x |
19 |
y' – 2y tg x + y2 sin2x = 0 |
5 |
y' sin x – y cos x = 1 |
20 |
(y2 + 2y + x2) y’ + 2x = 0 |
6 |
y' (x + y2) = y |
21 |
xy' + y’ ln y = y |
7 |
y' + 3y tg 3x = sin 6x |
22 |
(x2 ln y – x) y’ = y |
8 |
(y4 + 2x) y’ = y |
23 |
xy' – y = x2 cos x |
9 |
y' + 2y/x = 3x2 y4/3 |
24 |
y' + 2xy = xe-x |
10 |
4xy’ + 3y = -exx4y5 |
25 |
y' cos x + y = 1 – sin x |
11 |
y' + y = ex/2y1/2 |
26 |
(1 + x2) y’ + y = arctg x |
12 |
y' – 2y tg x + y2 sin2x = 0 |
27 |
y' sin x – y cos x = 1 |
13 |
(y2 + 2y + x2) y’ + 2x = 0 |
28 |
y' (x + y2) = y |
14 |
xy' + y’ ln y = y |
29 |
y' + 3y tg 3x = sin 6x |
15 |
(x2 ln y – x) y’ = y |
30 |
(y4 + 2x) y’ = y |
5. Решить дифференциальное уравнение второго порядка
Вариант |
|
Вариант |
|
1 |
y” + xy’ + y = 0 |
16 |
y” – 4y’ + 3y = e5x |
2 |
y” – xy’ – 2y = 0 |
17 |
y” – 8y’ + 169y = e4x |
3 |
y” + x2y = 0 |
18 |
y” – 6y’ + 25y = 2 sin x + 3 cos x |
4 |
x2y” – xy’ + 2y = 0 |
19 |
y” + y’ = cos x |
5 |
x2y” – 3xy’ + 3y = 3 ln2x |
20 |
y” – 6y’ + 8y = 3x2 + 2x + 1 |
6 |
x2y” + xy’ + y = 1/x |
21 |
2y” – y’ = 1 |
7 |
x2y” – 3xy’ + 3y = x3/2 |
22 |
y” + 4y’ = sin (2x + 1) |
8 |
x2y” – xy’ + y = 0 |
23 |
y” – 4y’ = 2 sh 2x |
9 |
y” – xy’ + y = cos ln x |
24 |
y” + 4y’ = cos 2x |
10 |
y” + 4y = ctg 2x |
25 |
y” – 3y’ – 10y = xe-2x |
11 |
y” + 5y’ + 6y = 1/(1 + e2x) |
26 |
y” – y = x cos2x |
12 |
y”cos(x/2) + (1/4) y cos(x/2) = 1 |
27 |
y” – 9y’ + 20y = x2e4x |
13 |
y” – 2y’ + 2y = ex sin x |
28 |
y” – y = 2 sh x |
14 |
y” + 9y = 2 sin x sin 2x |
29 |
y” – 4y = 2 ch 2x |
15 |
y” – 4y + 8y = 61 e2x sin x |
30 |
y” + y = tg x |
6. Решить систему дифференциальных уравнений сначала в общем виде, затем с учетом начальных условий:
а) аналитическим методом;
б) методом разложения в степенной ряд;
в) в численном виде при заданном значении х.
В данном случае x’ = dx/dt; y’ = dy/dt. Построить график решений, используя функцию plots[odeplot] в указанном интервале.
вариант |
Функция |
Начальные условия |
Значе-ние х |
Интервал |
1 |
x’ = e-t + y; y’ = et – x |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
x = 0,2 |
–3 … 3 |
2 |
x’ = 2x + y; y’ = -x + 3 sin t + t |
x(0) = 0; y(0) = 1 |
x = 0,9 |
–7 … 2 |
3 |
x’ = e3t – y; y’ = 2x + 3y + t |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
x = 0,2 |
–3 … 1 |
4 |
x’ = t + y; y’ = x + et |
x(0) = 1; y(0) = 4 |
x = 1,5 |
–3 … 2 |
5 |
x’ = 2 sin t + y; y’ = -x + sin t |
x(0) = 0; y(0) = 0 |
x = 1,9 |
–20 … 20 |
6 |
x’ = x/(x + y); y’ = y/(x + y) |
x(0) = 2; y(0) = 4 |
x = 1 |
–1 … 1 |
7 |
x’ = 2x + y; y’ = -x + 2 sin t |
x(0) = 1; y(0) = 0 |
x = 1,8 |
–10 … 2 |
8 |
x’ + y’ = 2(x + y); y’ = 3x + y |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
x = 0,8 |
–2 … 1 |
9 |
x’ = e-t + sin t; y’ = et – x |
x(0) = 1; y(0) = 4 |
x = 1,8 |
–4 … 4 |
10 |
x’ = x2 + xy; y’ = xy + x2 |
x(0) = 1; y(0) = 0 |
x = 0,5 |
–1 … 0,5 |
11 |
x’ = e2t – 3y; y’ = 2x + y |
x(0) = 1; y(0) = 4 |
x = 0,2 |
–10 … 2 |
12 |
x’ = 2 cos t + y; y’ = -x + 2y |
x(0) = 1; y(0) = 1 |
x = 1,8 |
–3 … 2 |
13 |
x’ = t – у; y’ = е2t + х |
x(0) = 1; y(0) = 4 |
x = 1,5 |
–10 … 2 |
14 |
x’ = 2x – 5y; y’ = x + y |
x(0) = 1; y(0) = 1 |
x = 3 |
–2 … 1 |
15 |
x’ = 8x – y; y’ = x + y |
x(0) = 1; y(0) = 4 |
x = 0,5 |
–2 … 0,8 |
16 |
x’ + 2x =1; y’= y + 3x – 1 |
x(0) = 1; y(0) = 0 |
x = 1,4 |
–2 … 2 |
17 |
x’ = e-t – 5y; y’ = 2x – 3y |
x(0) = -1; y(0) = 2 |
x = 2 |
–2 … 3 |
18 |
x’ = 12x – 5y; y’ = 5x + 12y |
x(0) = 1; y(0) = 0 |
x = 0,3 |
0 … 0,7 |
19 |
x’ = 3t + 5y; y’ = 2x + et |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
x = 1 |
–1 … 1 |
20 |
x’ = x – 4y; y’ = x + y |
x(0) = 1; y(0) = 0 |
x = 1,8 |
–1 … 6,5 |
21 |
x’ = e-5t – 2y; y’ = et – 3x |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
x = 0,2 |
–1 … 1 |
22 |
x’ = 2x – 3y; y’ = 5x + 2y |
x(0) = -1; y(0) = 2 |
x = 1 |
–2 … 0,5 |
23 |
x’ = 8x – 3y; y’ = 5x + y |
x(0) = 0; y(0) = 2 |
x = 0,5 |
–1 … 0,5 |
24 |
x’ + 2x =1 + у; y’= 2x – 1 |
x(0) = 0; y(0) = 2 |
x = 0,7 |
0 … 1 |
25 |
x’ = e-3t – 2y; y’ = x – 3y +1 |
x(0) = -1; y(0) = 4 |
x = 1,7 |
0 … 5 |
26 |
x’ = x – y; y’ = x – 3y + 1 |
x(0) = -1; y(0) = 4 |
x = 1,2 |
–1 … 5 |
27 |
x’ = x – 2y; y’ = 5x – 3y + 1 |
x(0) = -1; y(0) = 2 |
x = 0,9 |
–2 … 5 |
28 |
x’ = 4x + 6y; y’ = 2x + 3y + t |
x(0) = 0; y(0) = -1 |
x = 0,1 |
–7 … 0,5 |
29 |
x’ = 3x + y; y’ = -4x – y |
x(0) = 3; y(0) = 0 |
x = 0,2 |
–7 … 1 |
30 |
x’ = 2x + y; y’ = x + 2y |
x(0) = 1; y(0) = 3 |
x = 0,1 |
–2 … 1 |
7. Построить графики решений задачи Коши системы дифференциальных уравнений:
вариант |
Функция |
Начальные условия |
Интервал |
1 |
x’ = e-t + y; y’ = et – x |
x(0) = 1; y(0) = 1 |
–3 … 2 |
2 |
x’ = 8x – y; y’ = cos t + y |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
–10 … 0 |
3 |
x’ = cos 3t + y; y’ = -4x – y |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
–5 … 2 |
4 |
x’ = t + y cos t; y’ = x + et |
x(0) = 1; y(0) = 0 |
–12 … 5 |
5 |
x’ + 2x/t =1; y’= x sin t – y |
x(0) = 0; y(0) = 1 |
–12 … 2 |
6 |
x’ = 2x – cos t; y’ = x – y |
x(0) = 0; y(0) = 1 |
–3 …–2 |
7 |
x’ = sin t – 5y; y’ = 5x + 12y |
x(0) = 0; y(0) = 0 |
–7 … 0,5 |
8 |
x’ = x – 4y; y’ = sin t + t |
x(0) = 1; y(0) = 0 |
–4 … 2 |
9 |
x’ + y’ = 2y sin t; y’ = 3x + y |
x(0) = 1; y(0) = 1 |
–3 … 3 |
10 |
x’ = 4x cos t + 6y; y’ = 3y + t |
x(0) = 1; y(0) = 0 |
–3 … 2 |
11 |
x’ = x2 + xy; y’ = sin t + x2 |
x(0) = 1; y(0) = 1 |
–5 … 0,4 |
12 |
x’ = 2x sin t + t; y’ = x + y |
x(0) = 1; y(0) = 3 |
–8 … 3 |
13 |
x’ = sin t /(x + y); y’ = y/(x + y) |
x(0) = 2; y(0) = 4 |
–5 … 5 |
14 |
x’ = x + 2y; y’ = -x + 2 sin t |
x(0) = 1; y(0) = 0 |
–5 … 5 |
15 |
x’ = e3t – y; y’ = 2x sin t + t |
x(0) = 1; y(0) = 1 |
–7 … 2 |
16 |
x’ = 3x – y; y’ = 2cos t + 3y |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
–3 … 1 |
17 |
x’ = xy – 2y2; y’ = xy |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
–5 … 1 |
18 |
x’ = e5t – 2y; y’ = x cos t + t |
x(0) = 0; y(0) = 2 |
–7 … 1,5 |
19 |
x’ = 3x sin 2t + y; y’ = 3y + t |
x(0) = 1; y(0) = 0 |
–5 … 1 |
20 |
x’ = 3xy + y; y’ = 3y + t |
x(0) = 0; y(0) = 2 |
–5 … 0,2 |
21 |
x’ = sin 2t + 3y; y’ = -cos t + 2x |
x(0) = 0; y(0) = 2 |
–2 … 2 |
22 |
x’ = 2xy – y; y’ = 3x + t |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
–5 … 0,4 |
23 |
x’ = 3x sin t + y; y’ = x/y |
x(0) = 2; y(0) = 2 |
–2 … 1 |
24 |
x’ = cos 2t + y; y’ = -cos t + 3y |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
–7 … 0,5 |
25 |
x’ = xy – 2y; y’ = 3x + y |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
–5 … 1 |
26 |
x’ = 2y sin t + y; y’ = x/y |
x(0) = 2; y(0) = 2 |
–3 … 2 |
27 |
x’ = 2y et + y; y’ = x/y |
x(0) = 0; y(0) = 2 |
–3 … 2 |
28 |
x’ = xy – 2x2; y’ = 2xy |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
–0.7 … 0.3 |
29 |
x’ = 3x sin t + y2; y’ = xy |
x(0) = 1; y(0) = 2 |
–1 … 0,5 |
30 |
x’ = 2xy e2t + y; y’ = 5x/y |
x(0) = -1; y(0) = 2 |
–5 … 0,5 |
8. Построить фазовый портрет системы дифференциальных уравнений, используя функцию DEplot для различных начальных условий:
х(0) = 1, у(0) = 0; х(0) = 3 , у(0) = 0.2; х(0) = 2π , у(0) = 1; х(0) = π , у(0) = 1.8;
х(0) = – 1, у(0) = 2; х(0) = 2 , у(0) = 3; х(0) = – π , у(0) = 1; х(0) = –2π , у(0) = 1.
вар |
Функция |
Интервал по t |
Цвет линий |
Цвет стрелок |
1 |
x’ = y; y’ = -x –у |
0 …2π |
tan |
cyan |
2 |
x’ = x + y; y’ = – 2xу |
-0,5 … 0,5 |
violet |
coral |
3 |
x’
=
|
0 …2π |
blue |
red |
4 |
x’ = x2 + y; y’ = –xу |
–0,15 … 0,15 |
yellow |
blue |
5 |
x’ = y; y’ = 2xу |
–0,3 … 0,3 |
navy |
grey |
6 |
x’ = 2y; y’ = 3x/y |
0 …1 |
cyan |
green |
7 |
x’ = 2y; y’ = -4x – y |
–0,5 … 0,5 |
blue |
green |
8 |
x’ = x2; y’ = xу |
0 …0,1 |
green |
red |
9 |
x’ = x + y; y’ = – 2xу |
–1 … 1 |
maroon |
plum |
10 |
x’ = 2xy; y’ = x/у |
0 …0,2 |
cyan |
magenta |
11 |
x’
=
|
–1 … 0,5 |
khaki |
coral |
12 |
x’ = 4x + 3y; y’ = 3y |
0 …0,5 |
red |
orange |
13 |
x’
=
|
0 …2π |
orange |
yellow |
14 |
x’ = 8x – y; y’ = 5y |
–0,2 … 0,2 |
brown |
black |
15 |
x’ = 3y; y’ = -2x – 5y |
–0,4 … 0,4 |
pink |
gold |
16 |
x’ = у + х; y’= -x |
0 …2π |
cyan |
tan |
17 |
x’ = 2x; y’ = |
0 …0,5 |
coral |
violet |
18 |
x’ = 4y; y’ = 3x/2y |
–0,3 …0,3 |
red |
blue |
19 |
x’ = 4хy; y’ = 1/2y |
–0,2 …0,2 |
blue |
yellow |
20 |
x’ = у2; y’ = xу |
–0,3 …0,3 |
grey |
navy |
21 |
x’ = х/y; y’ = x – y |
–0,1 … 0,1 |
green |
cyan |
22 |
x’ = x2 – y; y’ = x/у |
–0,15 … 0,15 |
gold |
pink |
23 |
x’
=
|
–0,5 … 0,5 |
red |
green |
24 |
x’ = хy + у; y’ = -x – 2y |
–0,2 … 0,2 |
plum |
maroon |
25 |
x’
= |
0 …0,4 |
magenta |
cyan |
26 |
x’ = x2; y’ = x – у2 |
–0,1 … 0,1 |
coral |
khaki |
27 |
x’ = 2хy; y’ = 1/2х |
–0,3 …0,3 |
orange |
red |
28 |
x’ = 3x – 2y; y’ = 5y |
–0,4 … 0,4 |
yellow |
orange |
29 |
x’ = 2х + y; y’ = 1/2хy |
–0,4 …0,4 |
black |
brown |
30 |
x’ = х/y; y’ = -x – 2y |
–0,1 … 0,1 |
green |
blue |
9. Построить фазовый портрет системы дифференциальных уравнений, используя функцию phaseportrait, для различных начальных условий. Начальные условия (не менее пяти вариантов) задать самостоятельно в форме [t, x, y].
вариант |
Функция |
Интервал по х |
Интервал по у |
Цвет линий |
Цвет стрелок |
1 |
x’ = у2 + х; y’ = |
0 …40 |
–5 … 10 |
green |
blue |
2 |
x’
= у2
+ 3ху;
y’ =
|
–40 …40 |
–5 … 7 |
red |
green |
3 |
x’ = у2 + х3; y’ = 2x – 5y |
–10 …10 |
–20 … 20 |
plum |
maroon |
4 |
x’ = у2 + х; y’ = 2x,3 – y |
–10 …10 |
–20 … 20 |
magenta |
cyan |
5 |
x’ = 2у2 + ху; y’ = x – хy |
–10 …20 |
–7 … 7 |
coral |
khaki |
6 |
x’ = 2y; y’ = 3x + y |
–10 …10 |
–10 … 10 |
orange |
red |
7 |
x’ = 4x + 6y; y’ = 3y + х |
–20 …20 |
–15 … 15 |
yellow |
orange |
8 |
x’ = x2 + xy; y’ = x |
–10 …20 |
–15 … 5 |
black |
brown |
9 |
x’ = 2xу; y’ = x + y |
–10 …20 |
–5 … 8 |
gold |
pink |
10 |
x’ = х2 ; y’ = y + хy |
–10 …10 |
–20 … 20 |
tan |
cyan |
11 |
x’ = x + 2y; y’ = -x2 + у2 |
–20 …10 |
–20 … 20 |
violet |
coral |
12 |
x’ = y2; y’ = 2x + у2 |
–10 …10 |
–15 … 15 |
blue |
red |
13 |
x’ = x + y; y’ = –x3 |
–7 …7 |
–10 … 10 |
yellow |
blue |
14 |
x’ = 8x – y; y’ = y3 |
–10 …10 |
–5 … 5 |
navy |
grey |
15 |
x’ = ху2 + y; y’ = -4x – y |
–20 …20 |
–7 … 7 |
cyan |
green |
16 |
x’ = ху3; y’ = -x – 2y |
–20 …40 |
–7 … 7 |
blue |
green |
17 |
x’ = у2 + y; y’ = -x – х2 |
–10 …10 |
–10 … 10 |
green |
red |
18 |
x’ = х2 + y; y’ = у – х2 |
–10 …10 |
–20 … 10 |
maroon |
plum |
19 |
x’ = х2 + 2хy; y’ = у – 3х |
–20 …20 |
–10 … 10 |
cyan |
magenta |
20 |
x’ = у2 + y3; y’ = x – y |
–20 …20 |
–7 … 7 |
khaki |
coral |
21 |
x’ = у2 + х3; y’ = 2x – y |
–5 …5 |
–5 … 10 |
red |
orange |
22 |
x’ = у2 + ; y’ = 2x + y |
0 …20 |
–5 … 10 |
orange |
yellow |
23 |
x’ =3х2; y’ = 2x – у2 |
–10 … 10 |
–10 … 10 |
brown |
black |
24 |
x’ =3х2 – у; y’ = x + у2 |
–5 … 5 |
–20 … 20 |
pink |
gold |
25 |
x’ = 2x; y’ = x – y |
–25 …25 |
–20 …20 |
cyan |
tan |
26 |
x’ = 5y; y’ = 5x + 12y |
–25 … 25 |
–40 … 40 |
coral |
violet |
27 |
x’
= 5y;
y’ =
|
–10 … 10 |
0 … 8 |
red |
blue |
28 |
x’ = 3ху2 + 1; y’ = x – 2y |
–20 …20 |
–5 … 7 |
blue |
yellow |
29 |
x’
= ху2
+
;
y’ =
|
0 …20 |
0 … 6 |
grey |
navy |
30 |
x’ = у2 + 5ху; y’ = x – y3 |
–20 …20 |
–5 … 3 |
green |
cyan |