- •1. Основные понятия теории дифференциальных уравнений. Теорема о существовании и единственности решения задачи Коши для дифференциального уравнения разрешенного относительно производной.
- •2. Уравнение с разделяющимися переменными.
- •3. Однородные дифференциальные уравнения.
- •4. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Уравнение Бернулли.
- •5. Уравнение высших порядков допускающие понижение порядка.
- •2. Уравнения, не содержащие явно независимой переменной.
- •3. Уравнения, однородные относительно
- •4. Обобщенно - однородные уравнения.
- •5. Уравнение в точных производных.
- •6. Линейные дифференциальные уравнения высших порядков. Существование и свойства решений лоду. Решение лоду с постоянными коэффициентами.
- •7. Решение лнду методом вариации произвольных постоянных.
- •8. Решение лнду с постоянными коэффициентами методом подбора.
- •9. Системы дифференциальных уравнений. Решение нормальной системы методом исключений и интегрируемых комбинаций.
- •10. Числовой ряд. Сходимость геометрического ряда. Необходимый признак сходимости.
- •16. Основные свойства степенных рядов.
- •17. Разложение , , , , в ряд Маклорена.
- •18. Применение степенных рядов к приближенным вычислениям.
- •19. Теорема о единственности разложения в тригонометрический ряд. Теорема о разложении функции в ряд Фурье. Свойства коэффициентов ряда Фурье.
- •20. Криволинейный интеграл. Вычисление криволинейных интегралов первого и второго рода.
- •21. Связь между криволинейными интегралами первого и второго рода. Свойства криволинейных интегралов.
- •22. Формула Грина.
- •23. Условия независимости криволинейного интеграла от пути интегрирования.
- •24. Поверхностные интегралы первого и второго рода, их вычисление.
- •29. Понятие поля. Свойства потенциального поля.
- •30. Поток, его приложения.
- •31. Дивергенция, ее приложения и свойства. Понятие соленоидального поля.
- •32. Циркуляция, ее приложения.
- •33. Ротор, его приложения.
- •34. Операторы Гамильтона и Лапласа. Свойства парных комбинаций: div rot a, rot grad u, div grad u.
3. Однородные дифференциальные уравнения.
Дифференциальное уравнение первого
порядка
называется однородным, если правая
часть удовлетворяет соотношению
для всех значений t. Другими словами,
правая часть должна являться однородной
функцией нулевого порядка по отношению
к переменным x и y:
Однородное дифференциальное уравнение
можно также записать в виде
или через дифференциалы:
где P(x,y) и Q(x,y) − однородные функции
одинакового порядка.
Определение однородной функции
Функция P(x,y) называется однородной
функцией порядка n, если для всех t > 0
справедливо следующее соотношение:
Решение однородных дифференциальных уравнений
Однородное дифференциальное уравнение можно решить с помощью подстановки y = ux, которая преобразует однородное уравнение в уравнение с разделяющимися переменными.
Дифференциальное уравнение вида
преобразуется в уравнение с разделяющимися
переменными посредством переноса начала
системы координат в точку пересечения
прямых линий, заданных в уравнении. Если
указанные прямые параллельны, то
дифференциальное уравнение сводится
к уравнению с разделяющимися переменными
путем замены переменной:
.
Уравнение Бернулли
Уравнение Бернулли является одним из
наиболее известных нелинейных
дифференциальных уравнений первого
порядка. Оно записывается в виде
где a(x) и b(x) − непрерывные функции.
Если m = 0, то уравнение Бернулли становится линейным дифференциальным уравнением. В случае когда m = 1, уравнение преобразуется в уравнение с разделяющимися переменными.
В общем случае, когда m ≠ 0, 1, уравнение
Бернулли сводится к линейному
дифференциальному уравнению с помощью
подстановки
Новое дифференциальное уравнение для
функции z(x) имеет вид
и может быть решено способами, описанными
на странице Линейные дифференциальные
уравнения первого порядка.
Пример 1
Найти общее решение уравнения y' − y = y2ex.
Решение.
Для заданного уравнения Бернулли m = 2,
поэтому сделаем подстановку. Дифференцируя
обе части уравнения (переменная y при
этом рассматривается как сложная функция
x), можно записать:
Разделим обе части исходного
дифференциального уравнения на y2:
Подставляя z и z', находим:
Мы получили линейное уравнение для
функции z(x). Решим его с помощью
интегрирующего множителя:
Общее решение линейного уравнения
выражается формулой
Возвращаясь к функции y(x), получаем ответ
в неявной форме:
который можно записать также в виде:
Заметим, что при делении уравнения на
y2 мы потеряли решение y = 0. В результате,
полный ответ записывается в виде:
.
4. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Уравнение Бернулли.
Определение линейного уравнения первого порядка
Дифференциальное уравнение вида
где a(x) и b(x) − непрерывные функции x,
называется линейным неоднородным
дифференциальным уравнением первого
порядка. Мы рассмотрим два метода решения
указанных уравнений:
Использование интегрирующего множителя;
Метод вариации постоянной.
Использование интегрирующего множителя
Если линейное дифференциальное уравнение записано в стандартной форме:
то интегрирующий множитель определяется формулой:
Умножение левой части уравнения на
интегрирующий множитель u(x) преобразует
ее в производную произведения y(x)u(x).
Общее решение дифференциального уравнения выражается в виде:
где C − произвольная постоянная.
Метод вариации постоянной
Данный метод аналогичен предыдущему
подходу. Сначала необходимо найти общее
решение однородного уравнения:
Общее решение однородного уравнения
содержит постоянную интегрирования C.
Далее мы заменяем константу C на некоторую
(пока еще неизвестную) функцию C(x).
Подставляя это решение в неоднородное
дифференциальное уравнение, можно
определить функцию C(x).
Описанный алгоритм называется методом вариации постоянной. Разумеется, оба метода приводят к одинаковому результату.
Задача Коши
Если, кроме дифференциального уравнения, задано также начальное условие в форме y(x0) = y0, то такая задача называется задачей Коши.
Решение задачи Коши не содержит произвольной константы C. Ее конкретное числовое значение определяется подстановкой общего решения уравнения в заданное начальное условие y(x0) = y0.
Пример 1
Решить уравнение y' − y − xex = 0.
Решение.
Запишем данное уравнение в стандартной
форме:
Будем решать это уравнение, используя
интегрирующий множитель:
Тогда общее решение линейного
дифференциального уравнения определяется
выражением:
.
