- •Module 3
- •Topic 1 .Differential equations of the first order and the first degree
- •Typical problems
- •Self-test and class assignments
- •Individual tasks
- •1.1. Solve the separable differential equations.
- •1.2. Solve the homogeneous differential equations.
- •1.3. Solve the linear differential equations.
- •1.4. Solve the Bernoulli’s differential equations.
- •1.5. Find the general solution and also the particular solution through the point written opposite the equation.
- •1.6. Solve the exact differential equations.
- •Various types of differential equations with appropriate substitution will be considered in the following articles (see table 3.1).
- •Table 3.1
- •Consider other types of differential equations with appropriate substitution for reduction of order:
- •1) a differential equation
- •Typical problems
- •Self-tests and class assignments
- •Answers
- •Table3.2
- •Table 3.4
- •Examples of typical problems
- •Class and self assignments
- •Answers.
- •3.2. Find the general solutions of linear homogeneous equations.
- •3.3. Find general the solutions of linear homogeneous equations with right part of special form.
- •3.4. Solve Cauchy’s test for equations of the second order.
- •3.5. Solve the equations using the Lagrange’s method.
- •Examples of typical problems solving
- •Tests for general and self-studying
- •Answers
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Find out the linear dependency of the given system of functions |
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cos 2x . |
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y1 x 2, |
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y2 |
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x C |
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x2 . |
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1 cos2x sin x C |
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C |
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x C . |
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C |
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ln x |
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C x C |
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(ln 3)3 |
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C x C . |
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10. y |
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4x |
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sin3x |
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C x |
C . |
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(ln 4)3 |
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C1 ln x C2 . |
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y C1 x e x C2 . |
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y arcsin2 x C1arcsin x C2 . |
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5x C |
2 |
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ln |
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(x C |
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y C |
2 |
eC1x . |
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x C |
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y 2C ) |
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y C |
). |
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x C |
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ln |
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21.Linear |
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dependency. |
22. |
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Linear dependency |
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23. |
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Linear independency . |
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Individual tasks |
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T 2. |
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2.1. Integrate the given equations of the second order |
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sin x |
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) 2 . |
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y |
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cos2 x . |
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2.1.2. y (4 x |
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2.1.3. y |
4cos2 x . |
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2.1.4. y 2x arctg x . |
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2.1.5. y |
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1 x2 |
x 0 . |
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2.1.6. |
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y arctg x |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
218 |
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.1.7. y xex . 2.1.9. y x ln x .
2.1.11. y (1 x2 ) x3 .
2.1.13.y x2 1 x .
2.1.15.y 6x arctg x .
2.1.17.y cos3 x .
2.1.19.y 4 sin 2 x .
2.1.21.y 1 x x .
2.1.23.y cos3 x sin x .
2.1.25.y x ln x .
2.1.27.x2 y ln x .
2.1.29.(x 1)2 y x 2 2x .
2.1.8. y |
1 x2 |
1. |
2.1.10.y x sin 2 x .
2.1.12.y 3x2 ln x .
2.1.14.y x sin 2x .
2.1.16.y sin3 x .
2.1.18.y xe2x .
2.1.20.xy 1 x2 .
2.1.22.y x x 1 .
2.1.24.y ex (x 1) .
2.1.26.y cos4 x .
2.1.28.y (x 3)e x .
2.1.30.2 x ( x 1)2 y 1 .
2.2. Integrate the following equations using substitution |
|
y z(x) |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
2.2.1. (9 x2 )y 2xy 0 . |
2.2.2. xy y x . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
2.2.3. |
y |
|
2y |
|
ctg x |
cos x . |
|
|
|
|
2 |
x) |
(4x 2) y |
|
. |
||||||||||||||||
|
|
2.2.4. y (x |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
2.2.5. y 2 ctg x y sin3 x . |
2.2.6. (2 x2 ) y 2xy x2 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
2.2.7. xy |
|
|
|
|
|
|
2 |
2y |
|
0 . |
2.2.8. y |
|
sin x y |
|
cos x sin x . |
||||||||||||||||
|
x( y ) |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
2.2.9. xy y e x x2 . |
|
|
|
2.2.10. y 4(tg x)y cos2 x . |
|||||||||||||||||||||||||||
2.2.11. |
|
xy |
|
y |
|
|
|
|
2 |
. |
|
|
2.2.12. xy |
|
y |
|
x |
3 |
. |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
( y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
2.2.13. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
2.2.14. y |
|
2(tg x) y |
|
cos |
3 |
x . |
||||||||||
|
y x ln x y |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
2.2.15. y 2xy 4x . |
|
|
|
2.2.16. xy y x2 cos x . |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
2.2.17. y ¢¢-2 y ¢ctg x = 0 . |
2.2.18. xy y xex . |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
2.2.19. (x 2 1) y |
2x( y 1) . |
2.2.20. xy y x2 sin x . |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
2.2.21. (x2 1)y |
4x( y 1) . |
2.2.22. x(ln x 2) y |
y . |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
2.2.23. xy |
y ln(y / x) . |
2.2.24. (1 x2 ) y |
2xy . |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
2.2.25. xy |
y x2 . |
|
|
|
2.2.26. (1 x2 ) y |
2xy . |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
2.2.27. xy |
y x . |
|
|
|
2.2.28. y 2(tg x) y cos x . |
219
2.2.29. x2 y xy 1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
2.2.30. y y /(x 1) x2 x . |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3. Integrate the following equations using substitution |
|
y p( y) . |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.1. |
yy |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.2. 2yy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
0 . |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
( y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.3. yy |
|
|
|
2y |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
. |
|
|
|
|
|
2.3.4. yy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
0 . |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
( y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2( y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.5. yy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2y |
3 |
y |
|
. |
2.3.6. y |
3 |
y |
|
|
2y |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
2(y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.7. yy |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.8. y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2y |
|
. |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
3(y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.9. |
|
|
|
|
3 |
2y |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.10. |
|
3 |
|
|
y |
2 |
y |
|
y |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
y y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
2.3.11. y 2 yy . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.12. |
2y 2 y |
y . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.13. y3 y 6 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.14. y 2 y |
y . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.15. |
y |
|
2 yy |
|
|
0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.16. y |
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.17. 4 |
|
|
|
|
y y |
|
1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.18. |
|
2yy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
y |
|
. |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.19. yy |
|
|
|
|
|
2 |
1 |
0 . |
|
|
2.3.20. |
|
2yy |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
y |
|
0 . |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
(y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( y ) |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.21. yy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
. |
2.3.22. |
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
2(y ) |
|
( y ) |
|
|
|
|
|
2y ( y 1) . |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.23. yy |
|
|
|
|
|
|
2 |
y |
2 |
|
y |
|
. |
|
2.3.24. yy |
|
|
2yy |
|
ln y |
|
|
|
2 |
. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
( y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(y ) |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.25. 3y |
|
y |
5 / 3 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.26. yy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
y |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2(y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
2.3.27. y |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
y |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
9 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
( y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.28. y y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
2.3.29. y |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2e |
y |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
y |
|
. |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
(y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.30. y ( y 1) ( y ) |
|
|
|
|
Тopic 3. Linear differential equation with constant coefficients
Linear differential equation with constant coefficient Euler’s method. Nonhomogeneous linear equations with constant coefficients. Method of independent coefficients and method of variation of arbitrary constants (Lagrange’s method).
Literature: [2, chapter 3, sec.3.3], [3, chapter. 8, §4], [4, chapter 8, §26], [6, chapter 11, sec..11.3, 11.4.], [8, chapter 13, §§21–28], [10, §§4–5].
T3. Main theoretical information
3.1. Homogeneous linear equations.
220
Homogeneous linear equation of the n’th order with constant coefficients is written below
|
|
a0 y(n) +a1 y(n-1) +...+an-1 y ¢+an y = 0, |
|
(3.24 ) |
where a0 , |
a1 , , an –any real numbers, a0 0 . |
|
||
General solution of homogeneous linear equation: |
|
|||
|
|
y =C1 y1 +C2 y2 +...+Cn yn , |
|
|
where y1 , |
y2 , ..., yn – linearly independent particular solutions |
of the |
homogeneous equation (3.24), C1 , C2 , ..., Cn –any constants.
Euler’s method. Particular solution of the equation (3.24) is evaluated in the form y = ekx , where k –unknown constant. Using the substitution, we will have:
ekx (a0 kn +a1kn-1 +...+an-1k +an ) = 0 ,
Therefore
a kn +a kn-1 |
+...+a |
n-1 |
k +a |
n |
=0. |
(3.25 ) |
|
0 |
1 |
|
|
|
|
Equation (3.25) is called Auxiliary equation. This equation is obtained from (3.24) with the help of substitution of the derivatives of the evaluating function by using the powers of k and y equals to one. It means:
y(n) kn , y(n-1) kn-1 , ..., y ¢ k, y 1 .
Auxiliary equation (3.25) is algebraic one of the nth order and has n number of roots (real or complex). A particular solution of the equation (3.24) depends on the roots of the auxiliary equation (3.25). Correspondence between roots of the auxiliary equation and the particular solutions are given in table3.2.
|
|
|
Table3.2 |
|
|
|
The number of |
|
|
№ |
Characteristic of the |
the linear |
Particular solutions which |
|
|
root in the Auxiliary |
independent |
corresponds to the given root |
|
|
equation |
solutions which |
|
|
|
|
corresponds to |
|
|
|
|
the given root |
|
|
1 |
k –real simple root |
one |
ekx |
|
|
divisible by 1 |
|
||
2 |
k –real simple root |
m |
ekx , xekx , ..., xm-1ekx |
|
divisible by m |
|
|||
3 |
k =a bi – pair |
two |
eax cos bx, eax sin bx |
|
of complex |
|
|||
|
|
|
221 |
|
|
|
compared simple |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
roots |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k =a bi – Pair |
|
|
|
|
|
eax cos bx, eax sin bx, |
|
||||||||
4 |
|
of complex |
|
2m |
|
|
|
|
||||||||||
|
compared simple |
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
roots divisible by |
|
|
|
|
xm-1eax cosbx, xm-1eax sin bx |
|
|||||||||
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Let’s consider the equation of the second order |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
a0 y a1 y a2 y 0 . |
|
|
|
|
|
|
(3.26 ) |
|||||||
|
Its auxiliary equation has the following structure |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
a k2 |
+a k +a |
2 |
|
= 0 . |
|
|
|
|
|
|
(3.27 ) |
||
|
|
|
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Dependent on the denominator D a2 4a a |
we have 3 such conditions, |
||||||||||||||||
according to table. 3.3. |
1 |
|
|
0 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Table3.3 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
№ |
Roots of the auxiliary equation ( |
|
|
|
General solution of the |
|
|||||||||||
|
п/п |
27 ) |
|
|
|
|
|
equation |
|
|
|
|||||||
|
1 |
|
k1 and k2 – real and different |
|
|
y C ek1x C |
2 |
ek2x |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
k1 and k2 –real and different |
|
|
y ek1x (C |
C |
2 |
x) |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
3 |
|
k1 i , k2 i –complex |
|
|
y e x (C |
cos x C |
2 |
sin x) |
|
||||||||
|
|
|
roots |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
3.2. Nonhomogeneous linear equation |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
The following equation: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
a0 y(n) +a1 y(n-1) +...+an-1 y ¢+an y = f (x), |
|
|
|
( 3.28 ) |
||||||||||
where |
a0 , a1 , ..., an – constants, f (x) – continues on |
(a,b) function is a |
linear nonhomogeneous differential equation with constant coefficients. General solution of non homogeneous equation (3.28) looks like the
following
y = y + y* ,
where y is the general solution of the corresponding homogeneous equation (3.24),
y is a particular solution of the nonhomogeneous equation ( 3.28 ). General solution of y equation (3.24) is considered before.
To find particular solution of the equation (3.28) such methods are used: 1) independent coefficients;
222