
- •Дифференциальные уравнения.
- •§ 1. Основные понятия об обыкновенных дифференциальных уравнениях.
- •§ 2. Обыкновенные дифференциальные уравнения 1-го порядка – основные понятия.
- •§ 3. Дифференциальные уравнения 1-го порядка с разделяющимися переменными.
- •§ 4. Однородные дифференциальные уравнения 1-го порядка.
- •§ 5. Дифференциальные уравнения, приводящиеся к однородным.
- •§ 6. Обобщенное однородное уравнение.
- •§ 7. Линейные дифференциальные уравнения 1-го порядка.
- •§ 8. Уравнение Бернулли.
- •§ 9. Дифференциальные уравнения в полных дифференциалах.
- •Доказательство.
- •§ 10. Интегрирующий множитель.
Дифференциальные уравнения.
§ 1. Основные понятия об обыкновенных дифференциальных уравнениях.
Определение 1. Обыкновенным дифференциальным уравнением n – го порядка для функции y аргумента x называется соотношение вида
(1.1),
где F
– заданная
функция своих аргументов. В названии
этого класса математических уравнений
термин «дифференциальное» подчеркивает,
что в них входят производные
(функции, образованные как результат
дифференцирования); термин – «обыкновенное»
говорит о том, что искомая функция
зависит только от одного действительного
аргумента.
Обыкновенное
дифференциальное уравнение может не
содержать в явном виде аргумент x,
искомую
функцию
и любые ее производные, но старшая
производная
обязана
входить в уравнение n-го
порядка. Например
а)
– уравнение первого порядка;
б)
– уравнение третьего порядка.
При написании обыкновенных дифференциальных уравнений часто используются обозначения производных через дифференциалы:
в)
– уравнение второго порядка;
г)
– уравнение первого порядка,
образующее после
деления на dx
эквивалентную форму задания уравнения:
.
Функция
называется решением обыкновенного
дифференциального уравнения, если при
подстановке в него
оно обращается в тождество.
Например, уравнение 3-го порядка
имеет решение
.
Найти тем или иным
приемом, например, подбором, одну функцию,
удовлетворяющую уравнению, не означает
решить его. Решить обыкновенное
дифференциальное уравнение – значит
найти все
функции, образующие при подстановке в
уравнение тождество. Для уравнения
(1.1) семейство таких функций образуется
с помощью произвольных постоянных и
называется общим решением обыкновенного
дифференциального уравнения n-го
порядка, причем число констант совпадает
с порядком уравнения:
Общее решение может быть, и не разрешено
явно относительноy(x):
В этом случае решение принято называть
общим интегралом уравнения (1.1).
Например, общим
решением дифференциального уравнения
является следующее выражение:
,
причем второе слагаемое может быть
записано и как
,
так как произвольная постоянная
,
делённая на 2, может быть заменена новой
произвольной постоянной
.
Задавая некоторые
допустимые значения всем произвольным
постоянным в общем решении или в общем
интеграле, получаем определенную
функцию, уже не содержащую произвольных
констант. Эта функция называется частным
решением или частным интегралом уравнения
(1.1). Для отыскания значений произвольных
постоянных, а следовательно, и частного
решения, используются различные
дополнительные условия к уравнению
(1.1). Например, могут быть заданы так
называемые начальные условия при
(1.2)
В правых частях начальных условий (1.2) заданы числовые значения функции и производных, причем, общее число начальных условий равно числу определяемых произвольных констант.
Задача отыскания частного решения уравнения (1.1) по начальным условиям называется задачей Коши.
§ 2. Обыкновенные дифференциальные уравнения 1-го порядка – основные понятия.
Обыкновенное
дифференциальное уравнение 1-го порядка
(n=1)
имеет вид:
или, если его удается разрешить
относительно производной:
.
Общее решениеy=y(x,С)
или общий
интеграл
уравнения 1-го порядка содержат одну
произвольную постоянную. Единственное
начальное условие для уравнения 1-го
порядка
позволяет определить значение константы
из общего решения или из общего интеграла.
Таким образом, будет найдено частное
решение или, что тоже, будет решена
задача Коши. Вопрос о существовании и
единственности решения задачи Коши
является одним из центральных в общей
теории обыкновенных дифференциальных
уравнений. Для уравнения 1-го порядка,
в частности, справедлива теорема,
принимаемая здесь без доказательства.
Теорема 2.1.
Если в уравнении
функция
и ее частная производная
непрерывны в некоторой областиD
плоскости
XOY
, и в этой
области задана точка
,
то существует и притом единственное
решение
,
удовлетворяющее как уравнению
,
так и начальному условию
.
Геометрически
общее решение уравнения 1-го порядка
представляет собой семейство кривых
на плоскости XOY,
не имеющих общих точек и отличающихся
друг от друга одним параметром –
значением константы C.
Эти кривые называются интегральными
кривыми для данного уравнения. Интегральные
кривые уравнения
обладают очевидным геометрическим
свойством: в каждой точке
тангенс угла наклона касательной к
кривой равен значению правой части
уравнения в этой точке:
.
Другими словами, уравнение
задается в плоскостиXOY
поле направлений касательных к
интегральным кривым. Замечание:
Необходимо отметить, что к уравнению
приводится уравнение
и так называемое уравнение в симметрической
форме
.