
- •ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА
- •Е.А.КОГАН
- •Москва 2007
- •Кафедра “Прикладная и вычислительная математика"
- •Е.А. Коган
- •Москва 2007
- •1.1. Основные понятия
- •Дифференциальным уравнением называется уравнение, в которое неизвестная функция входит под знаком производной или дифференциала.
- •Обыкновенное дифференциальное уравнение n-го порядка в самом общем виде записывается так:
- •Для дифференциальных уравнений первого порядка различают общее, частное и особое решения, а также общий, частный и особый интегралы.
- •Таким образом, общее решение дифференциального уравнения можно определить как множество всех частных решений уравнения.
- •Особым решением дифференциального уравнения называется решение, которое не может быть получено из общего решения ни при одном частном значении произвольной постоянной.
- •Часто при интегрировании уравнения первого порядка не удается найти общее решение в явном виде, а получается конечное (не дифференциальное) соотношение вида
- •Знание изоклин позволяет во многих случаях даже для не интегрируемых явно дифференциальных уравнений получить графическое решение задачи Коши и выявить характер интегральных кривых.
- •Пример. Построить методом изоклин интегральную кривую уравнения
- •Очевидно, это уравнение с разделенными переменными. Интегрируя его, получим
- •Следовательно, общий интеграл уравнения будет
- •Интегрируем полученное уравнение с разделенными переменными
- •Тогда
- •Полагаем
- •Тогда уравнение примет вид
- •Дифференциальное уравнение вида
- •В результате уравнение приводится к однородному
- •Возвращаясь к старой переменной, получим
- •Подставляя (1.14) в (1.12), получаем дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными относительно варьируемой функции v(x), интегрируя которое, находим эту функцию.
- •В результате, общее решение уравнения (1.12) может быть представлено в виде
- •Общее решение уравнения примет вид
- •Находим произвольную постоянную C из начального условия:
- •После разделения переменных получим
- •Тогда уравнение (1.18) примет вид
- •Следовательно,
- •Уравнением Бернулли называется уравнение вида
- •Уравнение вида
- •Следовательно, его общий интеграл, а значит, и общий интеграл уравнения (1.24) имеет вид
- •Это уравнение интегрируется непосредственно n раз. При каждом интегрировании порядок уравнения понижается на единицу, и появляется произвольная постоянная. В результате общее решение уравнения будет иметь вид
- •После интегрирования получим
- •Следовательно, общее решение уравнения (2.22) будет
- •Далее ищем решение уравнения (2.21) в форме, аналогичной по структуре выражению (2.23), но произвольную постоянную в (2.23) заменяем неизвестной функцией
- •Подставляя (2.24) в (2.21), получим
- •Отсюда следует
- •и с учетом (2.14)
- •N линейно независимых частных решений линейного однородного дифференциального уравнения n-го порядка образуют фундаментальную систему решений этого уравнения.
- •а общее решение запишется в виде
- •Рассмотрим его реализацию для линейных дифференциальных уравнений второго порядка:
- •Подстановка (2.42) в (2.40) приводит к следующей системе дифференциальных уравнений
- •Пример. Решить уравнение
- •Определитель этой системы
- •Поэтому для определения варьируемых функций согласно (2.44) получаем дифференциальные уравнения вида
- •Интегрируя уравнения (2.49), находим
- •Подставляя (2.50) в (2.48), получим общее решение уравнения в виде
- •Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка
- •Пример. Найти собственные значения и собственные функции однородной краевой задачи:
- •Подставляя это решение в граничные условия, убеждаемся в том, что они удовлетворяются только при
- •Подставляя это выражение в граничные условия, получим
- •Чтобы краевая задача имела ненулевые решения, необходимо принять
- •Пример. Найти собственные значения и собственные функции однородной краевой задачи для уравнения (2.51) при граничных условиях
- •Общее решение уравнения согласно (2.55) имеет вид
- •Вычисляем
- •Ненулевое решение ее существует тогда и только тогда, когда определитель системы равен нулю:
- •Раскрывая этот определитель, получим уравнение относительно параметра
- •корни которого являются собственными значениями задачи:
- •Уравнением Эйлера называется линейное уравнение вида
- •Пример. Решить уравнение
- •Уравнение (2.66) есть уравнение Эйлера второго порядка. Применим замену независимой переменной и производных по формулам (2.64), (2.65). Тогда уравнение примет вид
- •Его общее решение
- •Эти решения находятся методом подбора (см. выше) и имеют вид
- •Поэтому общее решение уравнения (2.67) будет
- •Пример. Решить задачу Коши для уравнения
- •Общее решение уравнения имеет вид
- •Будем искать частное решение однородной системы в виде
- •Подставляя (2.99) в (2.98), получим систему
- •Характеристическое уравнение системы будет
- •Общее решение однородной системы (2.98) запишется в виде
- •Этот метод применим к решению систем неоднородных линейных уравнений n-го порядка. Ограничимся для простоты нормальной системой двух линейных уравнений с постоянными коэффициентами
- •Пусть общее решение однородной системы уравнений известно:
- •Пример. Решить систему
- •Общее решение однородной системы, согласно (2.105), имеет вид
- •Принимаем частное решение системы (2.111) в виде
- •Интегрируя эти уравнения, получим
- •Общее решение системы запишется в виде:
- •Пусть требуется решить краевую задачу для уравнения
- •Будем искать решение задачи в виде
- •Задача сводится к решению дифференциального уравнения
- •Ограничиваясь двучленным приближением, будем искать решение уравнения в виде
- •Выбранные функции удовлетворяют всем перечисленным выше требованиям. Они линейно независимы, непрерывно дифференцируемы и удовлетворяют граничным условиям (2.125).
- •Решение методом Бубнова
- •Решение методом наименьших квадратов
- •Решение методом коллокаций
- •В результате находим
- •Операционное исчисление представляет собой своеобразный и эффективный метод решения различных математических задач, прежде всего, дифференциальных уравнений. В основе операционного исчисления лежит понятие преобразования Лапласа.
- •Согласно формулам Эйлера [7]
- •Учитывая формулу (3.3) и применяя теорему линейности, получим
- •Аналогично
- •Таблица 4
- •Применяя формулу (3.25), находим
- •Поэтому
- •то применяя теорему линейности, окончательно найдем
- •Разложение данной дроби на простейшие имеет вид
- •После приведения к общему знаменателю получим
- •Пусть дано неоднородное линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами
- •Пример. Решить операционным методом уравнение
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 1
- •Вариант № 1
- •Вариант № 2
- •Вариант № 3
- •Вариант № 4
- •Вариант № 5
- •Вариант № 6
- •Вариант № 7
- •Вариант № 8
- •Вариант № 9
- •Вариант № 11
- •Вариант № 12
- •Вариант № 13
- •Вариант № 14
- •Вариант № 15
- •Вариант № 16
- •Вариант № 17
- •Вариант № 18
- •Вариант № 19
- •Вариант № 20
- •Вариант № 21
- •Вариант № 22
- •Вариант № 23
- •Вариант № 24
- •Вариант № 25
- •Вариант № 26
- •Вариант № 27
- •Вариант № 29
- •ОПЕРАЦИОННОМУ ИСЧИСЛЕНИЮ
- •Таблица 2
- •Таблица 3
- •ЛИТЕРАТУРА
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ
- •РАБОТЫ ПО ОБЫКНОВЕННЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ
- •УРАВНЕНИЯМ……………………………………………………… 100
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ
- •РАБОТЫ ПО ОПЕРАЦИОННОМУ ИСЧИСЛЕНИЮ…………… 131

103
Вариант № 3
1. Показать на рисунке интегральную кривую уравнения yy′+ x = 0 , проходящую через точку М(-2;-3). Решить уравнение методом изоклин.
Решить уравнения:
2. x3 + y2 dx + y
2 + x2 dy = 0 ,
3. x dy = 3y32+ 4yx22 , dx 2 y + 2x
4.dydx = 2xx+−y1−3 ,
5.sin y + ysinx + 1x dx + xcos y − cos x + 1y dy = 0.
Решить задачи Коши для уравнений:
6. |
′ |
|
y |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− x +1= e |
|
(x +1), |
|
|
|
|
|
y(0) =1, |
|
|
|||||||
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
7. |
|
′ |
|
|
−x |
y |
2 |
, |
|
|
y(0) = 2 . |
|
|
||||
2(y + xy) = (1+ x)e |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
8. |
Решить уравнение |
(x +1)y |
|
+ y = x +1. |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′′′ |
|
′′ |
|
|
|
9. |
Решить задачу Коши: |
|
y |
3 |
′′ |
+9 |
= 0 , |
y(1) =1, |
′ |
||||||||
|
y |
|
y (1) = 3. |
Решить уравнения:
10.y′′′ − 2y′′ = 3x2 + x − 4,
11.y′′′−5y′′+3y′+9y = e−x (32x −32),
12.y′′+3y′ = 2sh3x,
13.y′′+16y = sin164x .
14. |
Решить краевую задачу: |
y |
′′ |
′ |
2x |
sin4x, y(0) =1, |
π |
|
= 0 . |
|||||
− 4y + 4y = −e |
|
y |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
λ и собственные функции y |
|
4 |
|
|
||
15. |
Найти собственные значения |
задачи: |
|
|||||||||||
|
′′ |
+λ |
2 |
y = 0, |
′ |
|
y(π) = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
y (0) = 0 , |
|
|
|
|
|
|
|
Решить уравнения:
16.x3 y′′+3x2 y′+ xy = 6lnx,
17.y′′− x2 y = 0 .
Решить системы уравнений:
x2 y′ = z,
18.z′−3 z + 2 y = 0.x
19. |
y′ = z + x, |
20. |
y′ = 2 y − z, |
|
|
||
|
z′ = −y. |
|
z′ = 2z − y −5ex sin x. |

104
Вариант № 4
1. Показать на рисунке интегральную кривую уравнения |
y |
′ |
= x |
2 |
− y, |
|
|
проходящую через точку М(1;1/2). Решить уравнение методом изоклин. Решить уравнения:
2.5+ y2 + y′y
1− x2 = 0,
3.dy = x2 +22xy − y2 , dx 2x − 2xy
4. |
dy |
= |
4y −8 |
, |
|
dx |
3x + 2 y −7 |
||||
|
|
|
5.y2 cos y dx − 1cos y + 2 y dy = 0 .
xx x x
Решить задачи Коши для уравнений:
6. |
′ |
|
y |
= −2 |
lnx |
, |
|
|
y(1) =1, |
|
|
|||
y |
− |
|
|
|
|
|
|
|||||||
x |
x |
4 |
|
|
|
|||||||||
7. |
|
′ |
5y = |
(4x |
−5) y |
, |
y(1) =1. |
|
|
|
||||
3xy + |
|
|
|
|
||||||||||
8. |
Решить уравнение |
|
y |
cth2x = 2 y . |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′′′ |
|
′′ |
|
|
|
9. |
Решить задачу Коши: |
′′ |
= 72 y |
3 |
, |
y(2) =1, |
′ |
|||||||
y |
|
y (2) = 6. |
Решить уравнения:
10.yV − yIV = 2x +3 ,
11.y′′′−4y′′+ 4y′ = (x −1)ex ,
12.y′′+ 4y = −8sin2x +32cos 2x + 4e2x ,
13.y′′−6 y′+8y = 1+4e−2x .
14.Решить краевую задачу: y′′−4y′+8y = ex (5sin x −3cos x),
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y(0) = 0, |
|
y(π / 8) =1. |
|
|
|
|
|
|
|||
15. |
Найти собственные значения |
λ и собственные функции y |
задачи: |
||||||||||||||||||||
|
′′ |
|
|
2 |
y = 0, |
′ |
|
|
|
, |
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y +λ |
|
y (0) = 0 |
y (π) = y(π). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
16. |
Решить уравнение |
x |
2 |
|
′′ |
|
′ |
5 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
y |
− 4xy + 6 y = x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
17. |
Найти решение задачи Коши: |
y′ = x + (1/ y), |
y(0) =1. Учесть |
|
|||||||||||||||||||
|
пять членов разложения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Решить системы уравнений: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
xz′−2z + y = 0, |
|
|
|
z′ = −5z + y, |
|
|
|
′ = |
|
+ |
|
+ |
|
5x |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
18. |
′ |
|
z |
|
|
19. |
|
|
′ |
|
20. |
y |
3y |
|
2z |
|
4e |
|
, |
||||
|
= |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
z′ = y + 2z. |
|
|
|
|
||||||
|
y |
x |
|
|
|
|
y = y + z. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|

105
Вариант № 5
1.Показать на рисунке интегральную кривую уравнения xy′ = 2 y, проходящую через точку М(2;3). Решить уравнение методом изоклин. Решить уравнения:
2. |
′ |
|
1− x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
y y |
|
1− y2 +1= 0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
3. |
dy |
= |
|
|
y2 |
|
+ 4 |
y |
|
+ 2, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
dx |
|
|
x2 |
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
4. |
dy |
= |
x + y − 2 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
dx |
2x − 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
5. |
(y2 + ysec2 x)dx +(2xy +tgx)dy = 0 . |
|
|||||||||||||||||||||
|
Решить задачи Коши для уравнений: |
|
|||||||||||||||||||||
6. |
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
y(0) = 0, |
|
||||||
y + ycos x = 2 sin2x, |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
7. |
′ |
+ 4x |
3 |
y) = 4(x |
3 |
+1)e |
−4x |
y |
2 |
, |
|
y(0) =1. |
|
||||||||||
(y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
8. |
Решить уравнение |
x |
2 |
′′ |
+ xy |
′ |
|
||||||||||||||||
|
y |
|
=1, |
|
|||||||||||||||||||
9. |
Решить задачу Коши: |
y |
3 |
′′ |
+ 49 |
= 0, y(3) = −7 , |
′ |
||||||||||||||||
|
|
y |
|
y (3) = −1. |
Решить уравнения:
10.yV − 2 yIV = 2x +3,
11.y′′− y′ = e−x (2 + x2 ),
12.y′′+16y =16cos 4x −16e4x ,
13.y′′+9y = sin93x .
14. |
Решить краевую задачу: |
′′ |
y(0) =1, |
π |
|
= 0 . |
|||
y + y = 2cos3x −3sin3x, |
y |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
15. |
Найти собственные значения λ и собственные функции y задачи: |
|
|||||||
|
′′ |
+λ |
2 |
y = 0, y(0) = 0, |
y(1) = 0 . |
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
Решить уравнения:
16.x2 y′′− 2 y = 2xlnx,
17.y′′− xy′+ xy = 0.
Решить системы уравнений:
|
x2 z′ = 2u, |
|
|
|
′ |
− y2 +3y1 |
= 0, |
|
|
′ |
= 2y1 + y2 + 2e |
|
18. |
|
19. |
4y1 |
20. |
y1 |
|||||||
y′ = u, |
|
y′ |
+ y |
= 0. |
|
|
′ |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
= y1 + 2y2 −3e |
|||||
|
|
2 |
|
1 |
|
|
|
y2 |
||||
|
u′ = z. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x ,
4x .

106
Вариант № 6
1. |
Показать на рисунке интегральную кривую уравнения |
′ |
= y − x |
2 |
, прохо- |
||||||||||||||||||||
y |
|
||||||||||||||||||||||||
|
дящую через точку М(1;2). Решить уравнение методом изоклин. |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
Решить уравнения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
2. |
x |
4+ y2 |
dx + y |
1+ x2 |
dy = 0 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
3. |
3 |
dy |
= |
y2 |
|
+ |
8y |
+ 4, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
dx |
x2 |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
4. |
dy = |
|
y − 2x +3 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
x −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
5. |
e ydx +(cos y + xe y )dy = 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
Решить задачи Коши для уравнений: |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
6. |
|
′ |
|
2xy |
|
|
|
2 |
+1, |
y(1) = 3 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
y − |
|
|
= x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
1+ x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
7. |
|
′ |
|
|
|
|
|
|
2 |
lnx, |
y(1) =1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
xy + y = y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
8. |
Решить уравнение: |
y |
tg5x = 5y , |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′′′ |
|
|
′′ |
|
|
|
|
|
|
9. |
Решить задачу Коши: |
′′ |
= 50sin |
3 |
ycos y, |
π |
|
, |
′ |
|
|
||||||||||||||
y |
|
y(2) = |
|
y (2) = 5. |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
Решить уравнения:
10.y′′′− y′ = 3x2 − 2x +1,
11.y′′′−7 y′′+15y′−9y = (8x −12)ex ,
12.y′′+5y′ = 50sh5x,
13. |
y′′− y′ = |
e−x |
. |
|
|
|
|
|
|
|
2 + e−x |
|
|
|
|
|
|
||||
14. |
Решить краевую задачу: |
|
π |
|
|
|||||
|
′′ |
′ |
|
x |
(2sin x −cos x), |
y(0) =1, |
|
= 0 . |
||
|
y |
−4y +8y = e |
|
y |
8 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15. Найти собственные значения λ и собственные функции y задачи:
′′ |
+λ |
2 |
y = 0 |
, y(α) = 0 |
, y(b) = 0 . |
y |
|
Решить уравнения:
16.x2 y′′−6 y =12lnx,
17.y′′+ ysin x = 0.
Решить системы уравнений:
18. x2 z′+ xz + y = 0, |
19. y′ = 2z −3y, |
20. y′ = 4y + z +e2x , |
y′ = z. |
z′ = z −2 y. |
z′ = z − 2y. |