Однородные дифференциальные уравнения первого порядка.
Уравнение dy/dx = f(x,y) называется однородным уравнением первого порядка, если функция f(x,y) может быть представлена как функция отношения своих аргументов: f( x, y)= (y/x).
Например, уравнение dy/dx = ху/(х2 – у2) однородное, так как, разделив числитель и знаменатель правой части на х2 , получим
Составление и решение дифференциальных уравнений на примерах задач физико-химическиго и медико-биологического содержания.
Общие замечания. Дифференциальные уравнения занимают важное место в решении задач физико-химического, фармацевтического и медико-биологического содержания. Пользуясь ими, мы устанавливаем связь между переменными величинами, характеризующими данный процесс или явление.
Решение любой задачи с помощью математического анализа можно разбить на три этапа:
перевод условий задачи на язык математики;
решение задачи;
оценка результатов.
Первая часть работы обычно заключается в составлении дифференциального уравнения и является наиболее трудной, так как общих методов составления дифференциальных уравнений нет и навыки в этой области могут быть приобретены лишь в результате изучения конкретных примеров.
Закон охлаждения тела. Согласно закону Ньютона, скорость охлаждения тела пропорциональна разности между температурами тела и окружающей среды. Пусть тело нагрето до температуры То, температуру окружающей среды будем считать постоянной и равной Тс, Тс < То. В момент времени t температура тела равна Т. Скорость изменения температуры dT/dt пропорциональна разности Т – Тс, то есть
dT/dt = - r(Т – Тс).
Минус означает, что с возрастанием времени t температура Т тела уменьшается. Производная убывающей функции отрицательна, а скорость по смыслу – положительная величина. Коэффициент пропорциональности r зависит от физических свойств тела, так и от его геометрической формы.
Разделим переменные в уравнении и проинтегрируем его:
Подставив начальные условия t=0, Т=То, найдем значение С и подставим в последнее уравнение:
Т0=Тс+Се-r0; С=Т0-Тс;
Т=Тс+(Т0-Тс)е-rt.
Это закон охлаждения тела с течением времени.