Геометрические задачи, приводящие к решению дифференциальных уравнений 1-го порядка

В задачах геометрии, в которых требуется найти уравнение кривой по заданному свойству ее касательной, нормали или площади криволинейной трапеции, используется геометрическое истолкование производной (угловой коэффициент касательной) и следующие общие формулы для определения длин отрезков касательной t, нормали n, подкасательной S_t и поднормали S_n:

При решении таких задач с помощью дифференциальных уравнений рекомендуется следующая последовательность действий:

1. выполнить чертеж и ввести обозначения;

2. отделить условия, имеющие место в произвольной точке искомой линии, от условий, выполняющихся лишь в отдельных точках (начальных условиях);

3. выразить все упомянутые в задаче величины через координаты произвольной точки и через значения производной;

4. по условию задачи составить дифференциальное уравнение, для которого искомая кривая является интегральной кривой.

Задача№9. Найти линию, проходящую через точку M₀ и обладающую тем свойством, что в любой ее точке M касательный вектор с концом на осиOY имеет проекцию на ось OY, равную a.

M₀(e,0), a=1.

Решение. Ищем функцию y=y(x). Воспользуемся геометрическим свойством производной: y^/ представляет угловой коэффициент касательной к графику этой функции (с положительным направлением оси OX), т.е.. Найдем

.

С другой стороны (из треугольника AMN):

.

Тогда

.

Решая это уравнение, найдем, что

.

Подставим M₀(e;0) и a=1: 0=-1+c, отсюда c=1. Тогда линия, проходящая через точку M₀ удовлетворяющая условиям нашей задачи, будет иметь вид

.

Дифференциальные уравнения высших порядков, допускающие понижение порядка

Первый тип. Уравнения, содержащие только производную порядка n и независимуюпеременную

Это уравнения вида . Если удается разделить их относительно, то. Общее решение последнего уравнения имеет вид:

.

Т.е. решение получается путем n-кратного интегрирования.

Второй тип. Уравнения, не содержащие искомой функции

Такое уравнение имеет вид: . Порядок его может быть понижен с помощью подстановки:, где- новая искомая функция.

Если уравнение имеет вид , то подстановкапонижает порядок наk единиц.

Третий тип. Уравнения, не содержащие независимой переменной

.

Понижение порядка на единицу достигается подстановкой , где– новая искомая функция.

Частный случай. Если уравнение имеет вид , и его удается решить относительнотак, что, то интегрирование можно привести так. Умножим обе части на:

.

Т.к. и, то. Отсюда,

и

.

Задача №10. найти общее решение дифференциального уравнения.

10.31. .

Решение. Имеем неоднородное дифференциальное уравнение 1-го порядка не содержащее искомой функции y. Порядок его может быть понижен с помощью подстановки , где- новая искомая функция. Эта подстановка приводит к уравнению:

.

Это линейное уравнение относительно z и z^/. Разделим его обе части на коэффициент при z^/ и получим

.

Решением этого уравнения является функция . (Способы решения см. в задаче№4). Но, а потому.

Пришли к случаю, когда уравнение содержит только производную и независимую переменную, т.е. . Такие уравнения решаются путем интегрированияn-раз обеих частей уравнения, причем общее решение должно содержать в себе n констант. В нашем случае n=1.

- общее решение.

Уравнение действительных решений не имеет, поэтому нет и особых решений.

Задача №11. Найти решение задачи Коши.

11.31. .

Решение. Уравнение не содержит независимой переменной x. Понижение порядка на единицу достигается подстановкой , гдеP(y) – новая искомая функция.

Уравнение перепишется так:

.

Тогда . Но.

Для облегчения решения этого уравнения найдем c_1, воспользовавшись начальными условиями, т.е. . Подставляя их в последнее уравнение, получимc₁=0.

Тогда - уравнение с разделяющимися переменными, решением которого будет .

Подставляя начальные условия, установим, что .

Ответ. .

Существует и второй способ решения этого уравнения. Если разрешить его относительно y^//, т.е. и умножить обе части на, то.

Левая часть этого уравнения ,а в правой -, поэтому последнее уравнение перепишется так:

.

Отсюда следует, что.

Последнее уравнение допускает разделение переменных. Предварительно с помощью начальных условий можно установить, что c₁=0,а . С помощью начальных условий найдем, что. Таким образом, пришли к тому же результату, что и вI способе.