Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Обыкновенные дифференциальные уравнения и системы. Учебное пособие.pdf
5. Дифференциальные уравнения высших порядков, допускающие пониже-
( n )
y f ( x )
2x
ye
0
x 0
0
y 1
00
y 1; y 0.
2x 2x
11
1
y e dx C e C ;
2
2x 2x
1 1 2
11
y e C dx e C x C ;
24
2x 2x 2
1 2 1 2 3
1 1 1
y e C x C e C x C x C ;
4 8 2
3 2 1
1 1 1
1 С ; 1 C ; 0 C ;
8 4 2
1 2 3
1 5 7
C ; C ; C ;
2 4 8
2x 2
1 1 5 7
y e x x
8 4 4 8
2
2
d y dy
f x,
dx dx
ние порядка
Дифференциальные уравнения высших порядков, решение которых мо-
жет быть найдено аналитически, можно разделить на несколько основных типов.
Понижение порядка дифференциального уравнения – основной метод
решения уравнений высших порядков. Этот метод дает возможность сравнительно легко находить решение, однако, он применим далеко не ко всем уравнениям. Рассмотрим случаи, когда возможно понижение порядка.
5.1. Уравнения вида (с разделенными переменными)
. (39)
Если f(x) – функция непрерывная на некотором промежутке a < x < b, то
решение может быть найдено последовательным интегрированием.
Пример. Решить уравнение
с начальными условиями
;
Подставим начальные условия:
Получаем частное решение (решение задачи Коши):
;
5.2. Уравнение вида (не содержит у)
не содержит явным образом искомой функции у.
.
(40)
41
Обозначим производную через р, т. е. положим
dy
px
dx
2
2
d y dp
dx dx
,
dp
f x p
dx
px
1
,p p x C
dy
pdx
12
( , )y p x C dx C
2
2
,
d y dy
fy
dx dx
dy
py
dx
2
2
d y dp dp dy dp
p
dx dx dy dx dy
dy
dx
2
2
dy
dx
py
( , )
dp
p f y p
dy
y yy
( ) ,p y y y pp
,pp yp
Подставляя эти выражения производных в уравнение (40), получим урав-
нение первого порядка
относительно неизвестной функции
ние, находим его общее решение
а затем из соотношения
.
5.3. Уравнение вида (не содержит х)
Если дифференциальное уравнение не содержит явно независимую пере-
. Тогда
.
.
. Проинтегрировав это уравне-
,
получаем общий интеграл уравнения (40)
менную х:
(41)
то можно понизить его порядок на единицу, считая, что
, (42)
но теперь мы б уд ем с чи та т ь р ф у нк ци е й от у (а не от х, как преж-
де). Тогда
. (43)
Подставляя в уравнение (41) выражения
и
первого порядка относительно вспомогательной функции
. (44)
, получим уравнение
Пример. Решить задачу Коши для уравнения
у’(1)=2.
Решение.
Замена
, если у(1)=2,
приводит к уравнению
42
откуда:
а) р = 0, у’ = 0, у = С, но у’(1)=2 ≠ 0, значит, в этом случае решения нет;
,,p y dp ydy
2
1
,
2
y
pC
2
11
(2) 2 2 2 0 .
2
y
p C C p
2
2 2 2
2
22
, , , (1) 2 1 1 2.
2
dy y dy
dx x C y C C
dx y y
2
.
2yx
2
Mm
fk
r
2
22
d r M m
mk
dt r
2
22
d r M
k
dt r
;rR
0
dr
vdt
0t
dr
vdt
2
2
d r dv dv dr dv
v
dt dt dr dt dr
2
dv M
vk
dr r
2
dr
vdv kM
r
б)
Тогда
Следовательно, искомое частное решение имеет вид:
Задача о второй космической скорости
Определить наименьшую скорость, с какой нужно бросить тело верти-
кально вверх, чтобы оно не вернулось на Землю. Сопротивлением воздуха пренебречь.
Р е ш ен и е . Обозначим массу Земли и массу брошенного тела соответственно через М и m. По закону тяготения Ньютона сила f притяжения, действующая на тело m, будет
,
где r - расстояние между центром Земли и центром тяжести брошенного тела, k
- гравитационная постоянная.
Дифференциальное уравнение движения указанного тела с массой т будет
Это ДУ не содержит явно переменной t. Будем решать его при следующих НУ:
Здесь R—радиус Земли, v
Обозначим
где v—скорость движения.
Подставляя в уравнение (45), получим
или
скорость бросания.
0 -
при
,
. (45)
.
,
.
Разделяя переменные, получаем
Интегрируя это уравнение, находим
43
.
2
1
1
2
v
kM C
r
. (46)
0
vv
rR
1
C
2
0
1
1
2
v
kM C
R
2
0
1
2
kM v
CR
1
С
22
0
1
22
v kM v
kM
rR
22
0
1
22
v v kM
kM
rR
2
/ 2 0v
kM r
2
20v
2
0
0
2
v kM
R
0
2kM
vR
0
2kM
vR
3
8
2
6,66 10
см
k
гc
7
63 10R см
rR
2
9,81 /g мс
2
M
gk
R
2
gR
Mk
75
0
2 2 981 63 10 11,2 10 / 11,2 /v gR см с км с
3
6
y
x
Из условия, что
Подставим найденное значение
на поверхности Земли (при
или
в равенство (46):
.
или
По условию тело должно двигаться так, чтобы скорость всегда была положительной, следовательно,
. Так как величина
ченном возрастании r делается как угодно малой, то условие
полняться при любом r только в случае
, (48)
или
.
), определим
. (47)
при неограни-
будет вы-
:
Следовательно, наименьшая скорость будет определяться равенством
где
На поверхности Земли при
. На основании этого из равенства (45) получаем
. Подставляя это значение М в формулу (49), получаем
Задания для решения в аудитории:
1. Найти решения:
,
, (49)
.
ускорение силы тяжести равно
, или
.
а).
44
y ln x
y x sinx
y xy 0
32
x y x y 1 0
2
yy y 0
б).
в).
г).
д).
е).
45
ж).
y xln x y
2
y t gy 2y
x2
yy y e x
з).
и).
46
2. Решить задачу Коши:
3
y y 1 0
y(1) 1
y (1) 1
3
y 2y
y( 1) 1
y ( 1) 1
( n )
y ,y ,...,y
( n ) ( n 1 ) ( n 2 )
0 1 2 n 1 n
p y p y p y ... p y p y f ( x );
0 1 n
p , p , , p
f ( x ) 0
f ( x ) 0
0 1 2 n
p , p , p , p
а).
б).
,
,
,
,
.
6. Линейные дифференциальные уравнения
6.1. Свойства решений линейных дифференциальных уравнения
Линейным дифференциальным уравнением n – го порядка называется
любое уравнение первой степени относительно функции у и ее производных
вида:
(50)
где
– в общем случае функции от х.
Если
уравнением, если
енты
, то это уравнение называется линейным однородным
, то - линейным неоднородным. Если все коэффици-
– постоянные числа, то уравнение называется линейным
дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами.
47
Левая часть выражения (50) описывает некоторое преобразование функ-
yx
Ly
( n ) ( n 1 ) ( n 2 )
0 1 2 n 1 n
L( y ) p y p y p y ... p y p y
L( y ) 0
L(Cy ) CL( y );
1
y
2
y
1 2 1 2
L( y y ) L( y ) L( y )
y x u x i v x
0 1 n
p , p , , p
L(u i v ) L(u ) i L(v ) 0
y x 0
y x 0
1 2 n
y x ,y x ,...,y x
1 2 n
, ,...,
1 1 2 2 n n
y x y x ... y x 0
1 2 n
y x ,y x ,...,y x
ции
. Условно это преобразование обозначим оператором
.
Тогда линейное однородное уравнение можно представить в виде
. (51)
Очевидно, что рассматриваемый оператор является линейным и обладает
следующими свойствами:
если функция у является решением уравнения (51), то функция Су,
где С – постоянное число, также является его решением
если некоторые функции
и
являются решениями уравнения
(51), то их сумма (разность) также является его решением
.
Следствие. Если некоторая комплексная функция
является решением уравнения (51) с действительными коэффициентами
, то его решениями являются также действительная и мнимая со-
ставляющие в отдельности
.
Поскольку операторное уравнение (51) всегда имеет и тривиальное решение
во, нулем которого является функция
, то совокупность всех его решений образует линейное пространст-
.
Известно, что любое линейное пространство имеет базис в виде упорядоченной совокупности максимального количества линейно независимых элементов рассматриваемого пространства.
Система функций
ли существуют такие постоянные
является линейно зависимой, ес-
не все равные нулю, что на всем
рассматриваемом интервале изменения аргумента выполняется тождество
. (52)
Если же тождество (52) выполняется только для нулевых коэффициентов,
то система функций
ваемом интервале.
Для системы двух функций условие линейной независимости иногда определяют в следующем эквивалентном виде:
линейно независима на рассматри-
48
1
2
yx
const
yx
. (53)
1 2 n
y ,y ,...,y
1 2 n
1 2 n
( n 1 ) ( n 1 ) ( n 1)
1 2 n
y y ... y
y y ... y
W
... ... ... ...
y y ... y
1 2 n
y ,y ,...,y
1
1
()
kx
y x e
2
2
()
kx
y x e
3
3
()
kx
y x e
3
12
3 1 2 3
12
3
12
()
1 2 3 1 2 3 2 1 3 1 3 2
2 2 2
123
, , ( )( )( )
kx
k x k x
k x k k k x
k x k x
kx
k x k x
e e e
W y y y k e k e k e e k k k k k k
k e k e k e
12
, ,...,
n
y y y
1 1 2 2
...
nn
y C y C y C y
12
, ,...,
n
C C C
Фундаментальной системой решений линейного однородного дифференциального уравнения n –го порядка (51) на интервале (a, b) называется всякая система n линейно независимых на этом интервале частных решений уравнения
.
Определитель n – го порядка, составленный для n функций yi и их производных вида
, (54)
называется определителем Вронского (вронскианом).
( Юзеф Вроньский (1776 – 1853) – польский математик и философ - мистик)
Справедливы следующие теоремы.
Теорема (Необходимое условие линейной зависимости функций). Если
функции
линейно зависимы, то составленный для них определитель
Вронского тождественно равен нулю на рассматриваемом интервале.
Пример. Найти определитель Вронского для функций
,
,
.
Решение. Имеем
6.2. Структура решения линейного однородного ДУ
Теорема (О структуре решения линейного однородного ДУ). Если
- фундаментальная система решений на интервале (a, b), то общее
решение линейного однородного дифференциального уравнения является линейной комбинацией этих частных решений.
, (55)
где Ci –постоянные коэффициенты.
Для линейного уравнения (51) выполнены условия существования и
единственности решения задачи Коши. Покажем, что постоянные
49
всегда можно подобрать единственным образом, чтобы удовлетворялись задан-
00
0
11
0 0 0
, , ...,
nn
x x x x
xx
y y y y y y
1 1 2 2 0
1 1 2 2 0
( 1) ( 1) ( 1) ( 1)
1 1 2 2 0
... ;
... ;
...
... .
nn
nn
n n n n
nn
C y C y C y y
C y C y C y y
C y C y C y y
1
1 0 2 0 0
0
2
0 2 0 0
( 1) ( 1) ( 1)
( 1)
1 0 2 0 0
0
...
...
...
... ... ... ...
...
...
n
n
n n n
n
n
n
C
y x y x y x
y
C
y x y x y x
y
C
y x y x y x
y
12
, ,...,
n
C C C
12
, ,...,
n
y y y
2
2 2 0x y xy y
1
yx
2
2
yx
0х
2
2 2 2
2
12
xx
W x x x x
x
2
12
.y C x C x
10xy
11xy
12
2y C C x
1
C
2
C
12
12
0;
2 1.
CC
CC
12
1; 1CC
2
– у х х
ные НУ
. (56)
Дифференцируя n-1 раз общее решение (55) получим:
Или в матричной форме:
. (57)
Система (57) имеет, очевидно, единственное решение относительно неизвестных
, поскольку определителем системы является ненулевой
определитель Вронского для независимых частных решений
Пример. Уравнение
и
. Эти решения образуют фундаментальную систему на любом
интервале, не содержащем точку
. Действительно,
имеет два частных решения
.
Поэтому общее решение данного уравнения имеет вид
Найдем частное решение при следующих начальных условиях:
Так как
,
, то, используя начальные условия, получим систе-
.
му алгебраических уравнений (57) для определения постоянных
и
.
:
откуда
Таким образом, искомое частное решение имеет вид
50
.
.