
- •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

115
Вариант № 15
1. Показать на рисунке интегральную кривую уравнения yy′ = −2x, проходящую через точку М(1; 1). Решить уравнение методом изоклин.
Решить уравнения:
2.(e2x +5)dy − ye2xdx = 0 ,
3.x dydx = 3x2 + y2 + y,
4.dy = x + 2 y −3 , dx x −1
5. (y3 +cos x)dx +(3xy2 +e y )dy = 0 .
Решить задачи Коши для уравнений:
6. |
′ |
|
1−2x |
|
|
, |
y(1) =1, |
|
|
|
|
|
|||||
y |
+ |
|
|
y =1 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
x2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
7. |
(8 |
+12cos x)e |
2x |
|
′ |
+3ycos x) |
, |
|
y(0) = 2 . |
|
|
||||||
|
= y(2 y |
|
|
|
|
||||||||||||
8. |
Решить уравнение: |
y |
′′′ |
th7x = 7 y . |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′′ |
|
|
|||
9. |
Решить задачу Коши: |
|
|
′′ |
|
3 |
, y(1) =1 |
, |
′ |
||||||||
|
|
y =18y |
|
y (1) = 3. |
Решить уравнения:
10.y′′′−13y′′+12y′ = x −1,
11.y′′′− y′′−5y′−3y = −(8x + 4)ex ,
12.y′′′− 25y′ = 4sin2x −10ex ,
13.y′′+ 4y = 4ctg 2x
14. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′′ |
|
′ |
= 3e |
x |
sin x |
, |
y(0) = 0, |
y(π) = 0 . |
|||||||
Решить краевую задачу: y |
|
+ 2 y |
|
|||||||||||||||||||||||||
15. |
Найти собственные значения |
λ и собственные функции y задачи: |
||||||||||||||||||||||||||
|
′′ |
+ λ |
2 |
y = 0, |
|
|
′ |
|
|
|
|
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
y |
|
|
|
|
y (0) = y(0), |
|
y (1) = y(0). |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Решить уравнения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
16. |
|
′′ |
|
|
′ |
|
|
2 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xy |
|
= 2 y + x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
17. |
′′ |
|
|
|
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y − xy −4y = 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Решить системы уравнений: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
18. |
|
2 |
u |
′ − |
6ux |
+ |
5z |
= |
0, |
19. |
y′ = 2z + 2 y, |
|
′ = |
2 y |
+ |
z |
+ |
e |
x |
, |
||||||||
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20. y |
|
|
|
|||||||||||||
|
z′ =u. |
|
|
|
|
|
|
|
|
z′ = y + z. |
|
|
z′ = −2 y + 2x. |
|
|

116
Вариант № 16
1. Показать на рисунке интегральную кривую уравнения y′ = 2 + y2 , прохо-
дя-
щую через точку М(1;1). Решить уравнение методом изоклин. Решить уравнения:
2. |
|
4+ y2 |
dx − ydy = x2 ydy , |
|||||||||||
3. |
2 |
dy |
= |
y2 |
|
+ |
8y |
+ |
8 , |
|||||
dx |
x2 |
|
x |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
4. |
dy = |
|
3x + 2 y +1, |
|
||||||||||
|
dx |
|
|
|
|
x +1 |
|
|
||||||
5. |
xe y2 dx +(x2 ye y2 |
+tgy)dy = 0 . |
||||||||||||
|
Решить задачи Коши для уравнений: |
|||||||||||||
6. |
dy = |
|
2 |
− |
|
3y |
, |
|
y(1) =1, |
|||||
|
|
|
x |
|
||||||||||
|
dx |
|
x3 |
|
|
|
|
7. |
′ |
3 |
y = (x |
3 |
+8)e |
−2x |
y |
2 |
, |
|
|
|
y(0) =1. |
|
|
|
|
|||||||
4y + x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
′′′ |
|
′′ |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
8. |
Решить уравнение: |
|
|
|
x |
|
y |
+ xy |
|
|
= |
|
x . |
|
π |
|
|
|||||||
9. |
Решить задачу Коши: |
|
|
′′ |
=18sin |
3 |
ycos y, |
y(1) = |
, |
′ |
||||||||||||||
|
y |
|
|
|
2 |
y (1) = 3. |
Решить уравнения:
10.y′′′′+ y′′′ = x ,
11.y′′′+5y′′+7 y′+3y = (16x + 20)ex ,
12.y′′+ 25y = 2cos5x −sin5x +e5x ,
13.y′′−3y′+ 2 y = (3 +1e−x ) .
14. Решить краевую задачу: |
′′ |
′ |
π |
|
= 0 . |
|
y |
+ 2 y +5y = −3sin2x, y(0) =1, |
y |
8 |
|
||
|
|
|
|
|
|
15. Найти собственные значения |
λ |
и собственные функции y задачи: |
|||||||
|
|
′′ |
+λ |
2 |
y = 0, y(0) = 0, |
′ |
|
|
|
|
y |
|
y (b) = y(b). |
|
|||||
|
Решить уравнения: |
|
|
|
|
||||
16. |
x |
2 |
′′ |
|
′ |
|
|
|
|
y + |
2xy −6 y = xlnx, |
|
|
|
|
||||
17. |
|
′′ |
|
|
′ |
|
|
|
|
y − xy −4y = 0 . |
|
|
|
|
|||||
|
Решить системы уравнений: |
|
|
|
|||||
18. |
x2 z′+5xz + 4y = 0, |
19. |
z′′ |
= y − z, |
20. y′′ = 4y −3z +sin x, |
||||
|
y′ = z. |
|
y |
= z − y. |
z = 2 y − z −cos x. |

117
Вариант № 17
1. |
Показать на рисунке интегральную кривую уравнения |
′ |
= y − x |
2 |
, про- |
||||||
y |
|
||||||||||
|
ходящую через точку М(1;2). Решить уравнение методом изоклин. |
||||||||||
|
Решить уравнения: |
|
|
|
|
||||||
2. |
6xdx −6 ydy = 2 yx2 dy −3xy2 dx , |
|
|
|
|
||||||
3. |
2 |
dy |
= |
y2 |
+ |
6 y |
+3, |
|
|
|
|
dx |
x2 |
x |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.dydx = 2xx+−y1−3 ,
5.y + x2 x+ y2 dx + x +
x2 y+ y2 dy = 0 .
Решить задачи Коши для уравнений:
|
′ |
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
6. |
y − |
|
= xsin x, |
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
2 |
|
=1, |
|
|
|
|||||
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
7. |
4x |
3 |
y = 4y |
2 |
e |
4x |
(1 |
− x |
3 |
), |
|
|
y(0) = −1. |
|
|
|
|||||||
y + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
8. |
Решить уравнение: |
(1+ x |
2 |
)y |
′′ |
2xy |
′ |
= x |
3 |
. |
|
|
|||||||||||
|
+ |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
9. |
Решить задачу Коши: |
|
|
|
|
′′ |
3 |
+36 = 0 , |
y(0) = 3, |
′ |
|||||||||||||
|
|
|
y y |
|
y (0) = 2 . |
Решить уравнения:
10.y′′′′+ 4y′′′+ 4y′′ = x − x2 ,
11.y′′′−3y′+ 2 y = (4x +9)e2x ,
12. |
y |
′′′ |
′ |
2x |
+3cos 2x −sin x, |
|
|
|
|
|
||
|
−16y = e |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
′′ |
′ |
|
4e2x |
|
|
|
|
|
|
|
13. |
y |
= |
1+ e−2x . |
|
|
|
|
|
|
|||
−6 y +8y |
|
|
π |
|
|
|||||||
14. |
Решить краевую задачу: |
′′ |
y(0) =1, |
= 0 . |
||||||||
y + y = 2cos5x +3sin5x, |
y |
5 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15. Найти собственные значения λ и собственные функции y задачи:
′′ |
+λ |
2 |
y = 0 |
, |
′ |
, |
′ |
y |
|
y (0) = 0 |
y (b) = y(0)+ y(b). |
Решить уравнения:
16.y′′− 2x y′− x32 y = x2 lnx ,
17.y′′+ xy′− 2 y =1.
Решить системы уравнений:
|
|
|
y′ |
= y , |
|
|
|
|
z = xy′, |
|
1 |
2 |
|
y1′ = 2 y2 |
− y1 + x, |
18. |
19. |
′ |
= −4y1, |
20. |
|||
|
y2 |
|
−2 y1 +e−x. |
||||
|
xz′+ y = 0. |
|
′ |
= y1 + y2 . |
|
y2′ = 3y2 |
|
|
|
|
y3 |
|
|
|

118 |
|
|
Вариант № 18 |
|
|
1. Показать на рисунке интегральную кривую уравнения y |
′ |
= x + 2 y, про- |
|
|
ходящую через точку М(1;2). Решить уравнение методом изоклин. Решить уравнения:
2.yln y + x dydx = 0,
3.dy = x2 +23xy − y2 , dx 3x − 2xy
4.dydx = 6xx+−4yy −−55,
5.[sin(x + y2 )+sin x]dx + 2 ysin(x + y2 )dy = 0 .
Решить задачи Коши для уравнений:
|
y′+ |
xy |
|
|
x |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||
6. |
|
= |
|
, |
y(0) = 3 |
, |
|
|
|
|
|
|||||
2(1− x2 ) |
2 |
|
|
|
|
|
||||||||||
7. |
′ |
+ y) = xy |
2 |
, |
|
|
y(0) = 2. |
|
|
|
|
|
|
|||
2(y |
|
|
|
= 0 . |
|
|
|
|
|
|||||||
8. |
Решить уравнение: |
xy |
+ 2 y |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
′′′ |
|
′′ |
|
|
|
|
|
|
9. |
Решить задачу Коши: |
′′ |
+50sin ycos |
3 |
y = 0 |
, y(0) = 0 |
, |
′ |
||||||||
y |
|
|
y (0) = 5. |
Решить уравнения:
10.y′′′′+ 2 y′′′+ y′′ = 4x2 ,
11.y′′′+ 4y′′+5y′+ 2 y = (12x +16)ex ,
12.y′′+ 2 y′ = 2sh2x,
13.y′′+16y = sin164x .
14. |
Решить краевую задачу: |
|
′′ |
′ |
2x |
sin5x, |
y(0) = 0, |
|||||||||||
|
y |
− 4y + 4y = e |
|
|||||||||||||||
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
y |
|
|
=1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λ и собственные функции y |
задачи: |
||||||
15. |
Найти собственные значения |
|||||||||||||||||
|
|
|
′′ |
+λ |
2 |
y = 0, |
|
′ |
′ |
|
|
y(π) = 0. |
|
|
|
|
||
|
|
y |
|
y (0) = y (π), |
|
|
|
|
||||||||||
16. |
Решить уравнение: x |
2 |
′′ |
−6 y =12lnx. |
|
|
|
|
||||||||||
y |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
17. |
Решить задачу Коши: |
|
|
y |
+ xy =1, y(0) = 0 , y (0) =1. |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′′ |
|
|
|
′ |
|
|
|
Решить системы уравнений: |
|
|
|
|
|
|||||||||||
18. |
|
2 ′− |
xy |
− |
z |
= |
0, |
|
|
z′ = 4z − y, |
|
20. |
y′ = y |
− z +8x, |
||||
x |
y |
|
|
|
19. |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
xz′+ z −4xy = 0. |
|
|
y′ = 5z + 2 y. |
|
|
z′ = 5y − z − 2e2x. |