Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебно-методическое пособие по «Математике». Для студентов по направлению подготовки 120400 «Прикладная геодезия» специальность 120401 «Прикладная гео
.pdf
Министерство образования и науки Астраханской области
Г осударственное автономное образовательное учреждение
«Астраханский инженерно-строительный институт»
по направлению подготовки 120400 «Прикладная геодезия»
специальность 120401 «Прикладная геодезия»
высшего профессионального образования
Учебно-методическое пособие
по
«МАТЕМАТИКЕ»
Для студентов
специализация «Инженерная геодезия»
заочное отделение 2 курс
Астрахань 2012
Учебно-методическое пособие написано в соответствии с утвержденной
рабочей программой дисциплины «Математика» и рекомендовано в качестве
одного из источников для изучения данного курса, а также для самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению «Прикладная геодезия»
при их подготовке к контрольным работам, прохождению тестирования и
сдаче зачета и экзамена.
В методических указаниях изложены основные понятия и теоремы ма-
тематического анализа и дифференциальных уравнений. Приведены типовые
примеры, которые поясняют использование теоретических положений, и в
дальнейшем используются для изучения специальных дисциплин. – Астрахань, 2012. -109 с.
Утверждено на заседании кафедры ВМИТ АИСИ.
Протокол № 2 от 15 октября 2012г.
Согласовано с УМО АИСИ
«27» декабря 2012г.
Утверждено на МС направления
«Прикладная геодезия»
Протокол № 3 от 05.02.2013г.
Составители: Холодов Ю.В. - к.ф.-м.н., профессор кафедры ВМИТ; Яксубаев К.Д. - к.ф.-м.н., доцент кафедры ВМИТ; Аксютина И.В. - к.п.н., доцент кафедры ВМИТ; Шуклина Ю.А. – ст. преподаватель кафедры ВМИТ.
Рецензент: Садчиков П.Н. – к.т.н., доцент кафедры высшей матема-
тики и информационных технологий ГАОУ АО ВПО «Астраханский инже-
нерно-строительный институт».
© Холодов Ю.В., Яксубаев К.Д., Аксютина И.В., Шуклина Ю.А.
© ГАОУ АО ВПО «Астраханский инженерно-строительный институт»
2
2
2
0
at
tVS
2
2
;
dt
Sd
dt
dV
a
dt
dS
V
2
)(
)(
0
ttf
tVtfS
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Обыкновенные дифференциальные уравнения
Решение различных геометрических, физических и инженерных задач
часто приводят к уравнениям, которые связывают независимые переменные,
характеризующие ту или иную задачу, с какой – либо функцией этих переменных и производными этой функции различных порядков.
В качестве примера можно рассмотреть простейший случай равноуско-
ренного движения материальной точки.
Известно, что перемещение материальной точки при равноускоренном
движении является функцией времени и выражается по формуле:
В свою очередь ускорение a является производной по времени t от скорости V, которая также является производной по времени t от перемещения S.
Т.е.
Тогда получаем:
- уравнение связывает
функцию f(t) с независимой переменной t и производной второго порядка
функции f(t).
Определение. Дифференциальным уравнением называется уравне-
ние, связывающее независимые переменные, их функции и производные (или
дифференциалы) этой функции.
Определение. Если дифференциальное уравнение имеет одну незави-
симую переменную, то оно называется обыкновенным дифференциаль-
ным уравнением, если же независимых переменных две или более, то такое
дифференциальное уравнение называется дифференциальным уравнением
в частных производных.
Определение. Наивысший порядок производных, входящих в уравне-
ние, называется порядком дифференциального уравнения.
Определение. Общим решением дифференциального уравнения на-
зывается такая дифференцируемая функция y = (x, C), которая при подста-
новке в исходное уравнение вместо неизвестной функции обращает уравнение в тождество.
3
Свойства общего решения
0yyx
0 y
dx
dy
x
ydxxdy
x
dx
y
dy
x
dx
y
dy
0
lnln Cxy
0
lnln Cxy
0
ln Cxy
Cexy
C
0
x
C
y
2;
1
2 C
С
1) Т.к. постоянная С – произвольная величина, то, вообще говоря, дифференциальное уравнение имеет бесконечное множество решений.
2) При каких- либо начальных условиях х = х
, у(х0) = у
0
существует та-
0
кое значение С = С0, при котором решением дифференциального уравнения
является функция у = (х, С
Определение. Решение вида у =
).
0
(х, С
) называется частным решени-
0
ем дифференциального уравнения.
Определение. Задачей Коши называется нахождение любого частно-
го решения дифференциального уравнения вида у = (х, С
щего начальным условиям у(х0) = у
.
0
), удовлетворяю-
0
Определение. Интегралом дифференциального уравнения называется
любое уравнение, не содержащее производных, для которого данное диффе-
ренциальное уравнение является следствием.
Пример. Найти общее решение дифференциального уравнения
.
Общее решение дифференциального уравнения ищется с помощью интегрирования левой и правой частей уравнения, которое предварительно
преобразовано следующим образом:
имеем
Теперь интегрируем:
- это общее решение исходного дифференциального уравнения.
Допустим, заданы некоторые начальные условия: x0=1; y
=2, тогда
0
4
При подстановке полученного значения постоянной в общее решение
x
y2
0),,(
yyxF
),( yxfy
;0),(;),();,( dydxyxfdxyxfdyyxf
dx
dy
;0),(,
),(
),(
),( yxQ
yxQ
yxP
yxf
0),(),( dyyxQdxyxP
Cdxxfy
)(
получаем частное решение при заданных начальных условиях (решение задачи Коши).
Далее рассмотрим подробнее приемы и методы, которые используются
при решении дифференциальных уравнений различных типов.
Дифференциальные уравнения первого порядка
Определение. Дифференциальным уравнением первого порядка
называется соотношение, связывающее функцию, ее первую производную и
независимую переменную, т.е. соотношение вида:
Если такое соотношение преобразовать к виду
то это диф-
ференциальное уравнение первого порядка будет называться уравнением,
разрешенным относительно производной.
Преобразуем такое выражение далее:
Функцию f(x,y) представим в виде:
то-
гда при подстановке в полученное выше уравнение имеем:
- это так называемая дифференциальная форма уравнения перво-
го порядка.
Далее рассмотрим подробнее типы уравнений первого порядка и мето-
ды их решения.
Уравнения вида y’ = f(x)
Пусть функция f(x) – определена и непрерывна на некотором интервале
a<x<b. В таком случае все решения данного дифференциального уравнения
находятся как
можно определить постоянную С.
. Если заданы начальные условия х
и у
0
, то
0
5
Уравнения с разделяющимися переменными
),( yxfy
)()( yxy
;0)(0)(
)(
;0)()(;0)()(
yприdxx
y
dy
dxyxdyyxy
);(
)(
1
);()( yY
y
xXx
;0)()( dyyYdxxX
CdyyYdxxX
)()(
y
x
yy
cos
2
x
dx
dy
yy 2cos
xdxydyy 2cos
xdxydyy 2cos
yyyydyyy
yvdydu
ydydvyu
ydyy cossinsinsin
sin;
;cos;
cos
Cxyyy 2cossin
0cossin
2
Cxyyy
02sincossin
xyyyyyyy
y
x
yy
cos
2
Определение. Дифференциальное уравнение
уравнением с разделяющимися переменными, если его можно записать в
виде
.
Такое уравнение можно представить также в виде:
Перейдем к новым обозначениям
Получаем:
После нахождения соответствующих интегралов получается общее ре-
шение дифференциального уравнения с разделяющимися переменными.
Если заданы начальные условия, то при их подстановке в общее реше-
ние находится постоянная величина С, а, соответственно, и частное решение.
называется
ния.
Пример. Найти общее решение дифференциального уравнения:
Интеграл, стоящий в левой части, берется по частям:
- это есть общий интеграл исходного дифференциального уравне-
Чтобы проверить правильность полученного ответа продифференциру-
ем его по переменной х.
- верно
6
Пример. Найти решение дифференциального уравнения
y
y
y
ln
y
dy
ydx
ln
y
ydy
dxln
y
ydy
dx
ln
)(lnln yydCx
2
ln2y
Cx
;2;02;
2
1ln
2
2
CCC
;ln)2(2
2
yx
42 x
ey
422
2
42
x
ey
x
yx
e
xe
y
y
x
x
ln42
)42(
42
42
.
3
2
yy
3
2
y
dx
dy
dxdyy
3
2
dxdyy
3
2
Cxy
3
1
3
3
)(27 Cxy
3
)(
27
1
Cxy
условии у(2) = 1.
при
при у(2) = 1 получаем
Итого:
или
Проверка:
Пример. Решить уравнение
- частное решение;
, итого
- верно.
- общий интеграл
- общее решение
7
Однородные уравнения
).,(),( yxfttytxf
n
?3),(
23
yxxyxf
),()3(3)(3)(),(
3233233323
yxftyxxtyxtxttytxtxtytxf
),( yxfy
0),(),( dyyxQdxyxP
).,( yxfy
).,(),( yxftytxf
x
t1
x
y
fyxf ,1),(
x
y
u
);(),( u
x
y
yxf
)(uy
xuxuy
;
)(
);();(
x
uu
uuuxuuxuxu
Определение. Функция f(x, y) называется однородной n – го измерения относительно своих аргументов х и у, если для любого значения пара-
метра t (кроме нуля) выполняется тождество:
Пример. Является ли однородной функция
Таким образом, функция f(x, y) является однородной 3- го порядка.
Определение. Дифференциальное уравнение вида
называ-
ется однородным, если его правая часть f(x, y) есть однородная функция нулевого измерения относительно своих аргументов.
Любое уравнение вида
является однородным,
если функции P(x, y) и Q(x, y) – однородные функции одинакового измерения.
Решение любого однородного уравнения основано на приведении этого
уравнения к уравнению с разделяющимися переменными.
Рассмотрим однородное уравнение
Т.к. функция f(x, y) – однородная нулевого измерения, то можно записать:
Т.к. параметр t вообще говоря произвольный, предположим, что
Получаем:
Правая часть полученного равенства зависит фактически только от од-
ного аргумента
Исходное дифференциальное уравнение таким образом можно записать
в виде:
Далее заменяем y = ux,
.
, т.е.
.
8
таким образом, получили уравнение с разделяющимися переменными
;
)(
;
)(
C
x
dx
uu
du
x
dx
uu
du
1ln
x
y
x
y
y
uxuyuxy
x
y
u
;;
x
y
u lnln
;ln;ln);1(ln uuxuuuuuxuuuuxu
;
ln
;
ln x
dx
uu
du
x
dx
uu
du
Cx
euCxuCxu ;ln;lnlnln
.
Cx
xey
111
cybxa
cbyax
fy
,011
ba
ba
;;
vyux
относительно неизвестной функции u.
Далее, заменив вспомогательную функцию u на ее выражение через х и
у и найдя интегралы, получим общее решение однородного дифференциального уравнения.
Пример. Решить уравнение
.
Введем вспомогательную функцию u.
.
Отметим, что введенная нами функция u всегда положительна, т.к. в
противном случае теряет смысл исходное дифференциальное уравнение, со-
держащее
.
Подставляем в исходное уравнение:
Разделяем переменные:
Интегрируя, получаем:
Переходя от вспомогательной функции обратно к функции у, получаем
общее решение:
Кроме уравнений, описанных выше, существует класс уравнений, которые с помощью определенных подстановок могут быть приведены к одно-
родным. Это уравнения вида
Если определитель
подстановкой
Уравнения, приводящиеся к однородным.
.
то переменные могут быть разделены
9
где
0
0
111
cybxa
cbyax
.0)12()32( dxyxdyyx
32
12
;12)32(
yx
yx
dx
dy
yx
dx
dy
yx
0514
21
12
5/7
5/1
;
0342
21
;
032
012
y
x
xx
xy
yx
yx
;5/7;5/1 vyux
;0)15/75/22()35/1425/1( duvudvvu
;0)2()2( duvudvvu
1/2
/2
2
2
uv
uv
uv
vu
du
dv
;;; tutvutvt
u
v
122
t
t
tut
;
12
)1(2
12
22
12
2
2
2
t
tt
t
ttt
t
t
t
u
du
dt
;
1
)21(
2
1
;
1
21
2
1
22
tt
dtt
u
du
dt
tt
t
u
du
1
2
lnln1ln
2
1
Cutt
uCtt
1
2
ln21ln
;1;ln1ln
2
2
2
2
2
2
u
C
tt
u
C
tt
;5/1;
15
75
5/1
5/7
xu
x
y
x
y
u
v
t
и - решения системы уравнений
ние:
Пример. Решить уравнение
Получаем
Находим значение определителя
Решаем систему уравнений
Применяем подстановку
.
в исходное уравне-
Заменяем переменную
выражение, записанное выше, имеем:
Разделяем переменные:
при подстановке в
Переходим теперь к первоначальной функции у и переменной х.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]