Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

1944

.pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
07.01.2021
Размер:
2.26 Mб
Скачать

Вычисление криволинейного интеграла II рода

 

Формулы

 

 

 

 

 

П р и м е р

 

 

Параметрическое представление

Найти работу силы

 

 

 

 

кривой

интегрирования

F (8x 4y 2)i (8y 2) j, где L

x x(t), y y(t),t t ,t

2

:

 

контур ОВА, пробегаемый в

 

 

1

 

 

 

P(x,y)dx Q(x, y)dy

 

 

 

 

 

 

положительном

 

 

 

Y

6 A

 

направлении, и

L

 

 

 

 

 

 

 

A(3,6), B(0,6),O(0,0)

t2

 

 

 

 

 

 

 

Р е ш е н и е

P(x(t),y(t))xt Q(x(t),y(t))yt dt

 

 

 

t1

 

 

 

 

 

 

 

По свойству

 

 

 

 

 

 

 

3 X

аддитивности:

 

 

 

 

 

O

B

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

L

OB

BA

AO

 

 

 

 

x 0,3,

 

 

 

Явное

представление

кривой

АО: y 2x,

 

dy 2dx,

 

интегрирования

 

 

 

(8x 4y 2)dx (8y 2)dy

 

y y(x),

x a,b :

 

 

 

 

 

 

 

АO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8x 4 2x 2)dx (8 2x 2) 2dx 234.

 

 

 

 

 

3

 

x 0,3,

 

 

 

 

P(x, y)dx Q(x, y)dy

 

 

ОВ: y 0,

 

dy 0,

 

 

L

 

 

 

 

(8x 4y 2)dx (8y 2)dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

OB

 

 

 

 

 

 

P(, y(x)) Q(x, y(x))y (x)dx

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

(8x 2)dx 42.

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

0

 

y 0,6 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

ВА: x 3,

dx 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fk

B

 

 

(8x 4y 2)dx (8y 2)dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

(8y 2)dy 156.

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

А 243 42 156 36.

 

 

a

b

 

 

 

Проверим

полученный

 

результат,

 

 

 

 

 

используя формулу Грина. Имеем

 

 

 

 

 

замкнутый контур – треугольник ОВА.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Py (8x 4y 2)y 4, Qx (8y 2)x 0,

 

 

 

 

 

 

 

3

2y

 

 

 

 

 

 

 

A 4dxdy 4 dx dy 36

 

 

 

 

 

 

D

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

90

Вычисление поверхностного интеграла II рода

 

 

 

 

 

 

Формулы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П р и м е р

 

 

 

F n d (Pcos Qcos Rcos )d .

Вычислить xdydz zdzdx 5dxdy.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если поверхность задана на области D

А)

По

верхней

стороне части

плоскости OXY функцией z z(x, y), то

плоскости

2x 3y z 6,

лежащей

Rcos d R(x, y,z(x, y)) dxdy,

в IV октанте.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dxy

 

 

 

 

Б) По внешней стороне пирамиды,

где Dxy

проекция поверхности

на

ограниченной

плоскостями

ОXY. Знак плюс или минус перед

2x 3y z 6,

x 0, y 0, z 0.

двойным

 

 

 

 

интегралом

берется

в

Р е ш е н и е

 

 

 

 

 

 

 

зависимости от

ориентации поверхности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(cos

будет

положительным

или

 

 

 

 

 

 

 

Z

6

 

 

 

 

отрицательным).

 

 

 

 

 

n

 

Dyz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dxz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А)

Нормальn (2; 3;1),

 

соответ-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично:

 

 

 

 

 

ствующая

 

 

указанной

 

 

стороне

Rcos d R(x(y,z), y,z) dydz;

 

поверхности,

образует с осью OY

 

 

 

 

 

 

Dyz

 

 

 

 

тупой угол, а

осями OX и OZ

Rcos d R(x, y(x,z),z) dxdz;

 

острые углы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dxz

 

 

 

 

сos

nx

 

 

 

2

 

 

 

2

 

0.

F n d (Pcos Qcos Rcos )d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

4 9 1

14

 

P(x,y,z)dydz Q(x,y,z)dzdx R(x,y,z)dxdy

 

 

3

 

 

1

 

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

 

0,

cos

 

 

 

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P(x(y, z)y, z)dydz

Q(, y(x, z)z)dxdz

 

14

 

 

 

 

14

 

 

xdydz zdzdx 5dxdy

 

 

 

Dyz

 

Dxz

 

 

R(x, y,z(x, y,))dxdy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dxy

 

 

 

( 3

3

y

z

)dydz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dyx

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zdzdx 5 dxdy 9.

 

 

 

 

 

 

Dxz

 

 

 

 

 

 

Dxy

 

 

 

 

 

Б) По формуле Стокса имеем:

xdydz zdzdx 5dxdy

( 1 0 0)dxdydz dv 6

V V

91

 

Раздел 15. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПОЛЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скалярное поле

 

 

 

 

 

Понятия

 

 

Определения и формулы

 

П р и м е р

 

 

Определение

Скалярное

 

поле

часть

Найти производную функции

поля

пространства, в каждой точке

u 3x2 5y2

в точке А(1,-1) по

 

М(x,y,z)

 

 

которого

задана

направлению

к точке В(2,1).

 

скалярная функция u f (x, y,z)

Определить

 

величину

и

Геометри-

Поверхность (линия) уровня

направление

максимального

ческие

скалярного

 

 

поля

 

есть

роста данной функции в точке

характерис-

геометрическое место точек, в

А.

 

 

 

 

 

тики

которых

функция

принимает

Р е ш е н и е

 

 

 

скалярного

постоянное

 

 

значение,

т.е

u A ux(A)cos uy (A)cos

поля

u(М)=с.

 

 

 

 

u f (x,y)

s

 

 

 

 

 

 

Для плоского

 

поля

ux 6x, uy

10y,

 

 

 

линия уровня

 

f (x, y) c,

для

ux (A) 6 1 1,

 

 

 

 

пространственного

поля

uy (A) 10 ( 1)

10.

 

 

 

u f (x, y,z)

 

 

поверхность

s AB (1,2),

 

 

 

 

уровня

f (x, y, z) c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s 12 22

 

5,

 

 

Производная

u u cos u cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функции

s

x

 

 

 

y

 

 

 

cos sx

 

1

,

 

 

u f (x, y,z)

u cos ,

 

 

 

 

 

 

 

 

по

где

 

 

 

s

 

5

 

 

 

направлению

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

sy

 

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вектора s

s

0

(cos ,cos ,cos )

 

 

cos

5

 

 

 

u

 

s

 

 

 

 

Градиент

 

 

_________

 

 

u

u

 

 

 

 

 

 

 

функции

 

 

grad u

 

,

,

 

 

u

1

2

14

.

u f (x, y,z)

 

 

 

 

 

 

x

y

z

 

(A) 6

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

5

5

5

 

Связь между

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функция

 

в

направлении

характерис-

grad u

 

 

 

 

 

 

 

 

вектора AB убывает.

 

 

тиками

 

 

 

 

s0

 

 

s

 

 

Градиент

 

 

указывает

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

направление,

в

котором

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

функция растет быстрее, чем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

по другим направлениям.

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gradu(A) ux (A), uy (A)

 

 

u пр

 

_______

 

 

 

 

 

S0

grad u,

 

 

 

gradu(A) (6, 10).

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

max u

 

_______

 

 

 

Максимальный рост в точке А

 

gradu

 

 

 

соответствует

длине

вектора

 

 

s

s

 

 

 

 

 

 

 

 

градиента:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

grad u(A)

62 10 2 136

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

92

 

 

 

 

 

 

 

Векторное поле

Основные

 

 

Формулы и поясняющие рисунки

 

 

 

П р и м е р

понятия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

Определе-

Векторное поле – часть пространства, в

 

Поле

 

линейных

ние поля

каждой точке М(x,y,z)

которого задана

 

скоростей

 

 

 

векторная функция

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вращающегося тела

 

 

 

ax (x,y,z)i ay (x, y,z) j az (x,y,z)k .

 

имеет вид:

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V yi x j

 

Для плоского поля a ax (x,y)i ay (x,y) j

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Геометри-

Векторные линии – кривые, в каждой

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

ческие

точке которых вектор поля направлен по

 

 

 

 

 

 

характерис-

касательной:

 

dx

 

dy

 

dz

.

 

 

 

 

 

 

 

 

M(x, y,z)

тики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ax

 

 

 

ay

 

 

az

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

Векторная трубка – поверхность,

 

 

 

 

Y

 

образованная векторными линиями

 

 

 

 

 

 

 

Поток

Поток вектора а через поверхность

 

X

 

 

 

 

 

вектора

интеграл по поверхности от скалярного

 

 

 

 

 

 

через

произведения вектора поля на единичный

Найти:

 

 

 

 

 

поверх-

вектор нормали к поверхности:

 

А) векторные линии

ность

 

 

 

 

 

П anod

 

поля;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б)

дивергенцию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поля;

 

 

 

 

 

Диверген-

Дивергенция вектора а – скаляр, равный

В)

циркуляцию

ция

объемной

 

 

плотности

 

потока

в

вектора поля;

векторного

рассматриваемой точке поля:

 

Г) ротор поля.

поля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an0d

 

Р е ш е н и е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А) Имеем

плоское

 

 

 

 

div а lim

 

 

 

,

 

векторное поле:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V 0

 

 

V

 

ax y, ay x.

 

 

где – замкнутая поверхность,

 

 

 

 

 

dx

 

dy

 

dz

 

 

ограничивающая объем V; n0 орт ее

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

внешней нормали;

 

 

объем

V 0

 

 

y

x

0

 

 

 

 

 

 

xdx ydy,

 

стягивается к рассматриваемой точке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетная формула:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 dy xdz.

 

 

 

 

div a

 

ax

 

ay

 

az

 

Интегрируем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 y2 c1,

 

 

 

 

 

 

 

 

x

y

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Связь

Векторная формулировка теоремы Гаусса

z c2.

 

 

 

 

 

между

– Остроградского:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т.о., векторные ли-

характерис-

 

 

П

 

an

0

 

 

div a dV

 

нии – окружности с

 

 

 

 

центрами на оси OZ,

тиками

 

 

 

 

 

d

 

 

лежащие в плоскос-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тях, перпендикуляр-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ных к этой оси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжение таблицы

93

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

Циркуля-

Пусть

r xi y j zk

радиус-вектор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ция

точки

М на контуре L.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вектор-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Циркуляция

вектора

а

вдоль

L

Б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ного поля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

криволинейный

 

интеграл

 

по

divV(M)

( y)

 

 

замкнутому контуру

L от

скалярного

 

 

произведения вектора а на вектор dr ,

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

( x) 0.

 

 

 

 

 

 

касательный к контуру L.

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С ad axdx aydy azdz .

 

 

 

В) Будем считать, что

 

 

L

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

направление нормали к

 

Физический смысл: Fdr А работа

плоскости

совпадает

с

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

направлением оси OZ.

 

силы

F(M)

поля

при

перемещении

С ydx xdy

 

 

материальной точки вдоль замкнутого

 

 

Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

контура L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ротор

Ротор поля

 

вектор,

проекция

2 ( ydx xdy)

 

rot a

 

 

2 L

 

где

 

S

 

вектор-

которого

на

любое

направление

n

2 S ,

 

 

 

ного поля

площадь

 

поверхности,

 

равна

 

поверхностной

плотности

ограниченной

 

кривой

 

циркуляции по контуру площадки,

 

 

L.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

перпендикулярной

 

 

к

 

 

этому

Заметим,

 

что

 

если

 

направлению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нормаль к поверхности

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

ad

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

образует

угол

 

с

 

 

(rot a)n0

 

 

 

0

 

,

 

 

 

rotn a(M)

L

 

 

осью

 

 

OZ,

 

 

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

циркуляция

 

 

 

 

 

 

где

 

поверхность,

натянутая

на

 

 

 

 

 

 

замкнутый контур L;

n0

– орт нормали

С

2 S cos .

 

 

 

 

Г) rotV(M)

 

 

 

 

 

 

к поверхности, направленный в ту

 

 

 

 

 

 

сторону поверхности,

с которой обход

 

 

i

j

k

 

 

 

 

 

контура

L

виден

совершающимся

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

y

z

 

 

 

против часовой стрелки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетная формула:

 

 

 

 

 

 

 

y

x

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

j

k

 

 

 

( x)

i

 

 

( y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

z

j

 

 

 

rotn a(M)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( x)

 

( y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

y

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

ax

ay

az

 

 

 

 

x

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=2 k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Окончание таблицы

94

1

 

 

2

 

3

 

 

 

Векторная формулировка теоремы Стокса:

Ротор

поля

нап-

 

ad rotn а d

равлен

параллельно

 

L

 

 

оси вращения, его

 

Z

 

 

модуль

 

 

равен

Связь

 

 

удвоенной

угловой

n

 

 

скорости.

С

точ-

между

 

 

 

ностью

до

число-

характе-

 

 

 

 

 

вого

множителя

ристиками

 

L

 

 

Y

ротор

поля

ско-

 

 

 

X

 

 

ростей

 

представ-

 

 

 

ляет собой угловую

 

 

 

 

 

 

 

 

скорость

вращения

 

 

 

 

твердого тела

 

Классификация векторных полей

Вид поля

 

 

 

 

 

 

Свойства

 

П р и м е р ы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.П an0d div а dV 0.

 

Поле

линейных

скоростей

 

 

вращающегося твердого тела.

Соленои-

 

 

 

 

 

V

 

Для

поля

скоростей

текущей

2.П an0d

 

an0d , где

 

жидкости П=0 означает, что

дальное,

 

 

 

1

 

 

2

 

количество жидкости,

входящей

div а 0

1, 2

– произвольные

 

в трубку за единицу времени,

 

поперечные сечения векторной

 

равно

количеству

жидкости,

 

 

вытекающей из нее, т.е.

в поле

 

трубки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нет источников и стоков

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. u(x, y, z)

 

 

 

 

 

 

 

Для

силового

потенциального

 

потенциал поля:

поля равенство C=0, означает,

Потенци-

а grad u.

 

 

 

 

 

 

 

что работа силы по любому

 

 

 

 

 

 

 

замкнутому

 

контуру

равна

альное,

2. а d u(B) u(A).

нулю. В поле скоростей текущей

rot а 0

 

AB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

жидкости

равенство

C=0

 

3.С rotаn0d 0

означает, что в потоке нет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

замкнутых

 

струек

 

(водо-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

воротов)

 

 

 

 

Гармони-

divа divgradu

Поле

линейных

скоростей

 

 

 

u

 

u

 

 

u

 

 

ческое,

div(

i

j

k)

стационарного

безвихревого

 

 

 

 

 

div а 0,

 

 

 

 

x

y

 

 

 

z

потока жидкости при отсутствии

rot а 0

 

2u

 

 

2u

 

 

2u

 

в нем источников и стоков

 

 

 

является гармоническим

 

x2

y2

 

z2 u 0

 

 

 

 

 

 

 

 

95

Раздел 16. ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ (ДУ)

Основные понятия

Понятия

ДУ 1 порядка

 

 

ДУ 2 порядка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общий вид

F(x, y, y ) 0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

F(x, y, y , y

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДУ,

y f (x, y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

разрешенное

или в дифференциальной

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

относительно

 

форме

 

 

 

 

 

 

f (x, y, y )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

производной

P(x; y)dx Q(x; y)dy 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

y f

(x, y),

 

 

 

f (x, y, y ),

Задача Коши

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x0) y0,

 

 

 

y(x0) y0

 

 

 

 

 

 

(x0)

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

y (x,С1 ,С2 )

 

Y

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

y (x,C0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

0

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Геометри-

y (x,C)

общее

y (x,C1,C2 )

 

 

общее

решение,

 

представляет

 

 

ческая

 

решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

интерпретаци

семейство

интегральных

 

 

,С

)

 

 

частное

я решения ДУ

кривых.

 

 

 

 

 

y (x,C

 

 

 

y (x,C0)

частное

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

решение ДУ, удовлетворяющее

 

решение

 

 

 

 

ДУ,

начальным условиям

 

 

 

удовлетворяющее

 

 

y(x0) y0 ,

y (x0 ) y0 .

 

 

начальному

 

условию

Решение задачи Коши состоит

 

y(x0) y0.

 

 

 

 

 

 

 

Коши

в

нахождении

интегральной

 

Решение

задачи

кривой,

 

 

проходящей через

 

состоит

в

нахождении

 

 

 

точку

(x0; y0 )

и

 

имеющей

 

интегральной

 

 

кривой

 

 

 

 

данный

угловой

коэффициент

 

y (x,С0),

проходящей

 

y0

касательной t

 

 

 

 

 

через точку (x0; y0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

96

Интегрирование ДУ первого порядка

Тип

 

 

Уравнение

 

 

 

Решение

ДУ с

 

 

 

Применяем почленное

разделенн

 

 

 

M(x)dx N(y)dy 0

интегрирование

 

 

 

 

 

ыми

 

 

 

 

 

M(x)dx N(y)dy C

переменны

 

 

 

 

 

 

общий интеграл

 

 

 

 

 

ми

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДУ с

 

 

 

Делим на

 

 

 

 

 

 

 

 

y f (x)g(y)

N1(y)M2 (x) 0

 

 

 

 

разделяющ

 

 

и

применяем

почленное

имися

или в дифференциальной форме

интегрирование

 

 

 

 

 

переменны

M1(x)N1(y)dx M2(x)N2(y)dy 0

 

M1(x)

dx

N2 (y)

dy C

ми

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M2 (x)

 

 

N1(y)

 

y f (

y

 

Подстановка t

y

.

 

 

 

 

 

), где f (tx,ty) f (x, y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Однородно

 

x

Тогда y tx,

y

 

 

или M(x; y)dx N(x; y)dy 0,

 

t x t ,

е ДУ

гдеM(tx,ty) tk M(x; y)

lnCx

 

dt

 

 

– общий

 

 

f (t) t

 

 

N(tx,ty) tk N(x; y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

интеграл

 

 

 

 

 

 

 

 

y P(x)y Q(x)

 

y Ce Pdx

общее

 

 

 

решение ЛОДУ

 

 

 

 

 

Решение ЛНДУ:

 

 

Если Q(x) 0, то

1) метод Бернулли

 

 

Подстановка

 

 

 

 

 

 

 

 

y P(x)y 0

 

 

 

 

 

 

 

 

y u(x)v(x).

 

 

 

 

 

 

Линейное

линейное однородное ДУ (ЛОДУ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда ЛНДУ:

 

 

 

 

 

 

ДУ (ЛДУ)

 

ЕслиQ(x) 0, то

v (x) P(x)v(x) 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y P(x)y Q(x) –

u (x)v(x) Q(x)

 

 

 

 

 

 

линейное неоднородное ДУ

2) метод Лагранжа

 

 

 

(ЛНДУ)

y С(x)e Pdx

 

 

 

 

 

 

 

 

e Pdx (C Qe Pdxdx)

 

 

 

 

общее решение ЛНДУ

Уравнение

y P(x)y Q(x)yn

 

Подстановка z y n 1

Бернулли

 

(n 0, n 1)

 

или y u(x)v(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение

M(x; y)dx N(x; y)dy 0,

x

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

в полных

 

M(x; y)dx

N(x0; y)dy C

дифференц

 

 

 

x0

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

97

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

иалах

если

M

 

N

 

 

 

 

x

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интегрирование ДУ, допускающих понижение порядка

Уравнения, допускающие понижение порядка

y(n) f (x)

 

F(y(n),..., y(k), x) 0

 

 

 

явно отсутствует y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подстановка

 

 

n-кратное

 

 

 

 

 

y(k)

z

 

 

 

интегрирование

 

 

 

 

 

Если

 

 

y(k 1) z и т.д.

 

y f (x, y), то

 

 

 

 

 

 

 

 

y (F(x) C1)dx C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если F(x,y ,y ) 0,

 

 

 

 

 

то y

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

z, y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(y, y ,.., y(n) ) 0

явно отсутствует x

Если

F(y, y , y ) 0,

топодстановка y p;

т.к.dy p, то dx dy ;

 

dx

 

 

p

yxx

px

dp

 

dp

р

dx

 

 

 

 

dy

Теоремы о структуре общего решения линейных дифференциальных уравнений второго порядка

Формулировка теоремы

 

 

Формула

Общее решение ЛОДУ

 

 

 

y p(x)y q(x)y 0

y C1 y1 C2 y2 ,

есть линейная комбинация двух линейно-

где C ,C

2

– произвольные

независимых частных решений

1

 

постоянные

y1 y1(x) и y2 y2 (x)

 

 

 

Общее решение ЛНДУ

y y y ,

где y – произвольное частное

y p(x)y q(x)y f (x)

решение ЛНДУ;

 

– общее

есть сумма его произвольного частного

y

решения ЛНДУ и общего решения

решение соответствующего

соответствующего ЛОДУ

ЛОДУ

98

Частное решение ЛНДУ

 

y py qy f1(x) f2 (x)

 

 

y

 

 

 

есть сумма частных решений уравнений

 

 

y1

y2 ,

где y1

и y2 − частные

y

py qy

f1(x),

(1)

y

py qy

f2 (x)

(2)

решения уравнений (1) и (2)

Интегрирование однородных линейных ДУ второго порядка с постоянными коэффициентами

 

ЛОДУ

 

 

 

 

 

y py qy 0

 

1.

Характерис-

k2

pk q 0

(т.к. вид частного решения y ekx )

тическое

уравнение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дискриминант

D 0

 

 

D 0

 

 

 

D 0

D p2 4q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

Корни

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k1 i C

характе-

k1 k2 R

k1 k2 k R

 

ристического

 

k2 i C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Общее

C ek1x

C

2

ek2x

C ekx xC

2

ekx

 

e x (C1 cos x

решение

1

 

 

 

1

 

 

C2 sin x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интегрирование линейных неоднородных ДУ с постоянными коэффициентами и правой частью специального вида

Вид правой части

f (x) e xP (x)

f (x) e x[P (x)cos x

f (x)

n

 

 

n

Qm (x)sin x]

 

 

 

 

Вид частного

y xre xQn (x),

y xre x[PN (x)cos x

решения

где

корень

QN (x)sin x],

 

 

кратности

r

где i – корни кратности r

 

характеристического

характеристического уравнения;

 

уравнения;

 

 

 

PN (x) и QN (x) – многочлены

 

Qn (x)многочлен

 

степени N max(n;m)

 

 

степени n,

 

 

 

 

записанный в общем

 

 

 

виде

 

 

Подбор частного решения по виду правой части

99

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]