Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

математика 1874

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
07.02.2016
Размер:
530 Кб
Скачать
☆

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Запорізький національний технічний університет

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання контрольних робіт з вищої математики

для студентів заочної форми навчання транспортного факультету

(3-й семестр)

2006

2

Методичні вказівки до виконання контрольних робіт з вищої математики для студентів заочної форми навчання транспортного факультету (3-й семестр)./ Укл.: Килимник І.М., Паталаха Л.І., Полякова Т.Г., – Запоріжжя: ЗНТУ, 2006.-90 с.

Укладачі: Килимник І.М., к.т.н., доцент Паталаха Л.І., асистент Полякова Т.Г, асистент

Рецензент: Засовенко В.Г., доцент, к.ф.-м.н.

Відповідальний за випуск: Килимник І.М., к.т.н., доц.

Комп′ютерна верстка

Давиденко С.І.

Затверджено на засіданні кафедри вищої математики ЗНТУ Протокол № 2 від 27.09.06 р.

3

 

ЗМІСТ

 

Правила оформлення та виконання контрольної

Стор.

4

роботи.

 

Контрольна робота № 5. Диференціальні рівняння.

5

Вказівки до виконання індивідуальних завдань.

 

Індивідуальні завдання.

39

Контрольна робота № 6. Ряди. Вказівки до виконання

54

індивідуальних завдань

 

Індивідуальні завдання

82

Література

90

4

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕННЯ ТА ВИКОНАННЯ КОНТРОЛЬНОЇ РОБОТИ

1.Студент повинен виконувати контрольну роботу в окремому зошиті.

2.На обкладинці зошита треба записати назву контрольної роботи, дисципліну, з якої виконується контрольна робота, номер

академічної групи, прізвище, ім′я та по батькові повністю. В правому верхньому куті вказати шифр – номер залікової книжки, а в правому нижньому – домашню адресу.

3.В контрольній роботі повинні бути розв′язані всі завдання вказані викладачем. Розв′язання задач необхідно записувати в порядку номерів завдань, зберігаючи їх послідовність. Умова задачі переписується повністю.

4.Номер задачі в завданні вибирають таким чином: передостанню цифру шифру помножити на номер завдання і додати останню цифру шифру. Номером задачі є число одиниць в отриманому числі.

Наприклад. Дві останні цифри шифру 65. Розв′язуємо 11 завдання. Необхідно 6 11+5=71. Номер задачі в 11 завданні буде 1.

Якщо число одиниць дорівнює нулю, то студент розв′язує 10 задачу завдання.

5. Контрольна робота подається викладачеві на перевірку і захищається студентом на консультаціях. Контрольні роботи виконані не за своїм варіантом не зараховуються.

5

КОНТРОЛЬНА РОБОТА № 5

Диференціальні рівняння

Вказівки до виконання індивідуальних завдань

Загальні поняття

Рівняння, яке, крім незалежних змінних і невідомих функцій цих змінних, має в своєму складі і похідні невідомих функцій або їх диференціали, називається диференціальним рівнянням.

Диференціальне рівняння називається звичайним, якщо невідомі функції, які входять в нього, залежать від однієї незалежної змінної.

Порядок диференціального рівняння визначається найвищим порядком похідної або диференціала невідомої функції, що входять у диференціальне рівняння.

У загальному вигляді диференціальне рівняння n –го порядку це

F (x, y, y′, y′′,..., y(n))= 0

Функція y = f (x), що задовольняє диференціальне рівняння при будь-якому значенні аргументу в деякій області, називається розв′язком або інтегралом диференціального рівняння.

Загальним розв′язком диференціального рівняння n –го порядку називається таке рівняння, в яке входить x, y і довільні сталі С1,

С2,…,Сп і яке дає для y вираз, що задовольняє задане диференціальне рівняння.

Кожна функція, яку дістаємо з загального розв′язку при окремих значеннях довільних сталих, називається частинним розв′язком диференціального рівняння.

Задача розв′язування диференціального рівняння з початковою умовою називається задачею Коші. Кількість початкових умов відповідає порядку диференціального рівняння. Для диференціального рівняння (ДР) n –го порядку маємо n початкових умов:

y(x0 ) = y0 , y′(x0 ) = y10 , y′′(x0 ) = y20 ,..., y(n−1)(x0 ) = yn−1,0,

де x0 , y10 , y20 ,..., yn−1,0 - задані числа.

6

Загальний розв′язок – це множина інтегральних ліній. Частинний розв′язок – це одна інтегральна лінія, яка проходить через точку

(x0, y0 ).

Диференціальні рівняння першого порядку (ДР-1)

ДР-1 може бути розв′язане відносно похідної: y′ = f (x, y), де

f (x, y) - задана і неперервна функція двох змінних х і у в деякій області на площині.

ДР-1 не розв′язане відносно похідної:

F(x, y, y′)= 0

де F(x, y, y′)- задана функція трьох зміннихx, y, y′ , які змінюються в деякій області тривимірного простору.

ДР-1 може бути записане у вигляді

 

P(x, y)dx + Q(x, y)dy = 0 ,

 

 

де P(x, y),

Q(x, y) - задані і

неперервні функції двох змінних x і y у

деякій області на площині.

 

 

 

 

Загальний розв`язок ДР-1 має вигляд

 

ϕ (x, y, c)= 0 , або

y = ϕ (x, c)

 

Для задачі Коші ДР-1:

 

 

 

F(x, y, y′)= 0

 

y′ = f (x, y)

 

 

 

y(x0 )= y0

,

або

y(x0 )= y0

частинний розв`язок має вигляд

 

y =Ψ (x, c0 )

 

ϕ (x, y, c0 )= 0

або

Розглянемо деякі типи ДР-1.

 

 

 

ДР-1 з відокремлюваними змінними.

y′ = f (x, y) називається ДР- з відокремлюваними змінними, якщо

функцію

f (x, y) можна зобразити як добуток функцій ϕ (x)та Ψ (y)

f (x, y)= ϕ (x) Ψ (y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Маємо

рівняння

 

 

y′ = ϕ (x) Ψ (y),

яке можна записати

 

dy

 

= ϕ (x)dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ψ (y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проінтегруємо обидві частини рівняння:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

dy

 

 

 

= ∫ϕ (x)dx + c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ψ (y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таке співвідношення називають загальним розв`язком або

загальним інтегралом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад 1. Розв`язати ДР-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2 + 1)(y 2 − 1)dx+ xy dy = 0

Розв`язання.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запишемо рівняння у вигляді

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2 + 1)

dx = −

 

 

 

y

 

dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

y 2 −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

x2 + 1

 

 

dx + c = −∫

 

 

 

 

ydy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 − 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

Загальний розв`язок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

+ ln

 

x

 

+ c = −

1

ln

 

 

y 2 − 1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад 2. Розв`язати задачу Коші.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(1 + e x )yy′ = e x

 

y(0)= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розв`язання

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запишемо рівняння у вигляді

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ =

 

 

e x

 

 

1

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + e x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2y

 

 

 

 

 

2ydy =

 

e x

dx ;

∫2ydy = ∫

 

 

 

ex

 

 

dx + C

 

x

 

 

 

x

 

 

 

 

1

+ e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2 = ln 1 + e x + C - загальний розв`язок Знайдемо С, застосовуючи початкову умову:

0 = ln1+ e0 + C C = − ln 2

8

y2 = ln1+ ex − ln 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

= ln

1+ ex

 

- частинний розв`язок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДР-1 однорідні

 

y′ = f (x.y)

 

 

 

називається однорідним

 

ДР-1, якщо

f (x, y) є

однорідною функцією нульового виміру,

тобто f (xt, yt)= f (x, y). За

допомогою

підстановки

 

y = u(x) x = u x ,

 

y′ = u′x + u

однорідне

ДР-1 зводиться до ДР-1 з відокремлюваними змінними.

 

Приклад 3. Розв`язати ДР-1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x − y cos

 

 

 

dx + x cos

 

 

dy

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розв`язання.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запишемо рівняння у вигляді

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x − y cos

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ = −

 

x

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ =

y

 

−

 

1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

x cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

y

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Маємо

f (x, y)=

y

−

1

 

.

Перевіримо однорідність функції

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

cos

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x, y):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (xt, yt)=

yt

−

 

1

 

 

=

y

−

 

 

 

1

 

 

 

 

= f (x, y).

 

 

 

 

 

 

yt

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

xt

 

 

cos

 

 

 

x

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заміна :

y = ux,

 

y′ = u′x + u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u′x + u = u −

 

 

 

1

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u′x = −

1

 

 

 

 

 

 

cos u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Відокремимо змінні

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

cosudu = −

dx

;

∫cos udu = −∫

dx

+ C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

x

sinu = − ln

 

 

 

x

 

 

 

+ C ,

u =

y

 

 

 

 

 

x

 

y

= − ln

 

 

 

 

 

 

+ C -

 

sin

 

x

 

загальний розв`язок.

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад 4. Знайти частинний розв`язок ДР-1.

y′x2 = xy + y2e− x y ,

y(1)= 1

Розв`язання.

Запишемо рівняння у вигляді

 

y

 

 

y

2

− x

 

f (x, y)=

 

y

 

y 2

y′ =

 

 

+

 

 

e

 

y , де

 

 

+

 

 

 

x

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x

Перевіримо однорідність функції f (x, y).

 

 

f (xt, yt) =

 

yt

 

yt

2

− xt

y

y 2

− x

y =

 

xt

+

 

e yt =

 

+

 

e

 

 

 

 

 

xt

 

 

x x

 

 

 

 

 

Заміна:

y = ux;

y′ = u′x + u

 

 

 

 

 

 

 

e− x y

f (x, y)

u′x + u = u + u2 e−1/ u ; u′x = u 2 e−1/ u .

Відокремимо змінні

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

e

1/ u

du =

dx

;

∫

e

u

du = ∫

dx

+ C;

 

 

 

 

u

2

 

u

2

 

 

 

x

 

 

 

 

x

− e1/ u = ln x + C, u = y / x

− e− x / y = ln x + C - загальний розв′язок

Знайдемо С, застосовуючи початкову умову:

− e−1 = ln1+ C; c = −e−1

− e− x / y = ln x − e−1 - частинний розв′язок

 

10

 

 

ДР-1 лінійні.

Це ДР виду

y′ + p(x)y = q(x), де

p(x),q(x) -неперервні функції

на деякому проміжку. Зробимо заміну

 

 

y = u(x) v(x) = uv;

y′ = u′v + uv′ ,

тоді рівняння матиме вигляд:

 

 

u′v + uv′ + uvp(x) = q(x);

 

u′v + u(v′ + v p(x)) = q(x);

Знайдемо

такі розв′язки його,

щоб v′ + v p(x) = 0 , тоді

u′v = q(x).

 

 

Маємо систему двох ДР-1 з відокремлюваними змінними.

 

v′ + v p(x) = 0,

 

 

 

 

 

 

u′ v = q(x)

 

 

−∫ p(x)dx

 

 

Одним із розв′язків першого рівняння є

v = e

.

Підставимо

 

його в друге рівняння системи

 

 

 

 

 

 

 

 

u′ e− ∫ p(x)dx = q(x)

 

 

 

 

Розв′яжемо його. Матимемо

 

u = ∫q(x) e∫ p(x)dx dx + C .

 

Загальний розв′язок лінійного ДР-1 має вигляд

 

 

y = e

−∫ p(x)dx

 

 

 

∫ p(x)dx

 

 

 

 

 

 

 

∫q(x)e

 

dx + C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад 5. Розв′язати ДР-1

 

 

 

 

 

 

 

(1+ x2 )y′ − 2xy = (1+ x2 )2 .

 

 

 

 

 

 

 

Розв′язання.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Це лінійне ДР-1. Перепишемо його у вигляді:

 

 

 

 

 

y′ −

 

2xy

= 1+ x2

 

 

 

 

 

1+ x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p(x) = −

 

 

2x

; q(x) = 1+ x2

 

 

 

+ x2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Заміна: y = uv; y′ = u′v + uv′