Математика. Сборник задач. Учебное пособие

Общий интеграл имеет вид f1(x) dx 2 (y) dy 0 .

1(x) f2 (y)

Дифференциальное уравнение первого порядка y = f(x, y) называется однородным, если f(x, y) можно представить как функцию только

одного отношения переменных f(x, y) = (x/y), т. е. уравнение вида y = (x/y). Однородное уравнение приводится к уравнению с разделяющимися переменными посредством замены y = ux, тогда y = u x + u,

где u dudx .

Линейным уравнением первого порядка называется уравнение, линейное относительно неизвестной функции и ее производной. Оно

имеет вид y + P(x)y = Q(x), где P(x), Q(x) – заданные непрерывные

функции от x или константы (содержит y и y в первой степени). Решение линейного уравнения ищем в виде произведения двух

функций, зависящих от x: y = uv, u = u(x), v = v(x), тогда y = u v + uv . Подставляем в исходное уравнение:

u v + uv + Puv = Q, u v + u(v + Pv) = Q.

Решение уравнения разбивается на решение двух уравнений:

Линейным однородным уравнением второго порядка с постоян-

ными коэффициентами называется уравнение вида y р1y р2 y 0 ,

где р1, р2 – константы, функция и ее производные в первой степени.

Общее решение находится с помощью характеристического уравнения:

2 р1 р2 0 ,

которое получается из исходного дифференциального уравнения заменой

y = 1, y(n) n .

Находим корни характеристического уравнения: 1 , 2 .

72

Тогда общее решение линейного однородного уравнения получаем

ввиде:

1)если 1 2 – различные, действительные, то

yC1e 1x C2e 2x ;

2)если 1 = 2 – действительные, то

ye 1x C1 C2 x ;

3) если 1,2 a i – комплексно-сопряженные, то

y e x (C1 cos x C2 sin x) .

Линейным неоднородным уравнением второго порядка с посто-

янными коэффициентами называется уравнение первой степени относительно функции и ее производной:

y р1y р2 y q(x).

Отличие от линейного однородного уравнения – в правой части уравнения q(x) – известная функция от переменной x.

Общее решение линейного неоднородного уравнения имеет вид y yoo yчн, где yчн – какое-либо частное решение неоднородного

уравнения, yoo – общее решение соответствующего однородного

уравнения.

Для специальных видов функции q(x) частное решение yчн можно

найти методом неопределенных коэффициентов.

По виду правой части q(x):

1)q(x) emxP(x) , где P(x) – многочлен;

2)q(x) eax (acosbx bsin bx) ;

3)q(x) – сумма указанных функций.

Вэтих случаях yчн функция подобна q(x), т. е. отличается от q(x)

только числовыми коэффициентами. Но если в первом случае m и во втором случае + i – корни характеристического уравнения кратности k, то yчн отличается от q(x) множителем xk. Тогда:

1) вид yчн – определяем по правой части уравнения;

73

2)подставляем yчн в исходное неоднородное уравнение;

3)сравниваем коэффициенты у подобных членов из обеих частей полученного равенства.

Задачи

74

4. Найти общее решение дифференциального уравнения второго порядка:

75

n 1

Признак сравнения I. Пусть даны два числовых ряда (2) и (3). Исследуется на сходимость ряд (2). Известно поведение ряда (3). Если начиная с некоторого номера n:

1)an bn – члены ряда (2) не больше соответствующих членов ряда (3) и ряд (3) сходится, то и ряд (2) также сходится;

2)an bn – члены ряда (2) не меньше соответствующих членов ря-

да (3) и ряд (3) расходится, то и ряд (2) также расходится.

Сравнение исследуемых рядов производится обычно со следующими известными рядами:

и расходящийся при p 1).

Признак сравнения II. Пусть даны два числовых ряда (2) и (3). Исследуется на сходимость ряд (2). Известно поведение ряда (3). Если

существует конечный предел lim an 0 , то оба ряда (2) и (3) либо

n bn

одновременно сходятся, либо одновременно расходятся. Если же

lim an 0 , то из сходимости ряда (3) следует сходимость ряда (2).

n bn

Если, в частности, общие члены сравниваемых рядов эквивалентны как бесконечно малые при n ( an ~ bn ), то оба ряда (в смысле сходимости) ведут себя одинаково.

77

Замечание. При оценке факториалов больших чисел и вычислении пределов, содержащих n!, часто бывает полезна формула Стирлинга

Замечание. Признак Даламбера целесообразно применять тогда, когда общий член ряда содержит факториал или содержит одновременно степенную и показательную функции относительно n.

Признак Коши (радикальный). Пусть дан числовой ряд (2). Если

существует предел lim n an q , то

n

при q < 1 ряд (2) сходится, при q > 1 ряд (2) расходится,

при q = 1 вопрос о сходимости ряда (2) остается открытым. Замечание. Признак Коши (радикальный) целесообразно приме-

нять в том случае, если общий член ряда представляет собой n-ю степень некоторого выражения.

Интегральный признак Коши (основан на сравнении рядов с несобственными интегралами). Пусть общий член ряда (2) an f (n) 0 .

Если функция f(x), принимающая в точках x = n, n = 1, 2, 3, ... значения f(n), монотонно убывает в некотором интервале A < x < , где A > 1, то

n 1

78

в котором все un , n = 1, 2, 3, … – числа одного знака, называется зна-

кочередующимся.

Для знакочередующихся рядов справедлив следующий достаточный признак сходимости.

Признак Лейбница. Пусть дан знакочередующийся ряд (4). Если: 1) un 1 un – монотонно убывают по абсолютной величине начиная

n 0

называется степенным. Членами ряда (5) являются степенные функ-

ции un cn (x x0 )n ; c0 , c1, c2 , , cn , называются коэффициентами ряда (5). Этот ряд всегда сходится, по, крайней мере, при x x0 .

При фиксированном x ряд (5) представляет собой числовой ряд, который либо сходится, либо расходится.

Областью сходимости степенного ряда называется множество всех значений переменной x, для которых ряд (5) сходится.

Теорема Абеля. Если степенной ряд cn (x x0 )n сходится при n 1

x x1 0 , то он сходится, и притом абсолютно, для всех значений x,

степенной ряд расходится при x x1, то он расходится и для всех значений x, для которых x x0 x1 x0 .

Из теоремы Абеля вытекает:

1) всякая точка сходимости степенного ряда (5) расположена не дальше от точки x x0 , чем всякая точка его расходимости;

79

2) существует интервал x0 R x x0 R , для всех точек x которого степенной ряд сходится, а для всех x, таких что x x0 R , – рас-

ходится.

Интервал (x0 R; x0 R) , внутри которого ряд сходится, а вне его

расходится, называется интервалом сходимости, а число R – радиусом сходимости степенного ряда. Радиус сходимости степенного ряда можно вычислять по одной из формул:

при условии, что пределы, в них входящие, существуют.

Замечание. Для каждого степенного ряда вида (5), если только он не является всюду расходящимся, область сходимости представляет

собой сплошной промежуток от x0 R до x0 R , с включением кон-

цов или нет. Промежуток этот может быть и бесконечным. Замечание. Внутри области сходимости степенной ряд (5) сходит-

ся абсолютно. Исследовать степенной ряд на сходимость – значит найти интервал его сходимости и выяснить, сходится или расходится ряд в граничных точках интервала сходимости.

Замечание. При фиксированном x степенной ряд (5) представляет собой конкретный числовой ряд (знакопеременный – в общем случае). Для этого ряда (если он знакопеременный) сначала проводится исследование на абсолютную сходимость, т. е. составляется ряд из модулей. Следовательно, для определения области сходимости степенных рядов можно использовать признак Даламбера, т. е. нужно найти те

довать те значения x, при которых данный предел равен единице.

Задачи

1. Исследовать на сходимость числовые ряды:

80