- •22. Дифференциальные уравнения
- •22.1. Дифференциальные уравнения первого
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •22.2. Однородные дифференциальные
- •22.3. Линейные уравнения. Уравнение Бернулли
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •22.4. Уравнения в полных дифференциалах
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •22.5. Понятие дифференциальных уравнений
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •22.6. Линейные однородные дифференциальные
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •22.7. Линейные неоднородные дифференциальные
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •22.8. Системы дифференциальных уравнений
- •22.9. Системы линейных однородных
- •I уровень
- •II уровень
- •III уровень
- •Содержание
I уровень
1.1.Решите уравнение:
1)
2)![]()
3)
4)![]()
1.2.Решите задачу Коши:
1)
![]()
![]()
![]()
2)
![]()
![]()
![]()
3)
![]()
![]()
![]()
![]()
1.3. Найдите общее решение уравнения методом Лагранжа:
1)
2)![]()
II уровень
2.1.Найдите общее решение уравнения методом Лагранжа:
1)
2)![]()
3)
4)![]()
2.2. Решите уравнение:
1)
2)![]()
3)
4)![]()
2.3. Решите задачу Коши:
1)
![]()
![]()
![]()
2)
![]()
![]()
![]()
3)
![]()
![]()
![]()
4)
![]()
![]()
![]()
2.4.Укажите вид частного решения дифференциального уравнения:
1)
2)![]()
3)
4)![]()
III уровень
3.1.Решите уравнение:
1)
2)
![]()
3)
4)
![]()
3.2.Найдите общее решение методом Лагранжа:
1)
2)![]()
3)
4)![]()
22.8. Системы дифференциальных уравнений
Система дифференциальных уравнений вида
(22.73)
где
– искомые функции переменнойx,
называетсянормальной системой.
Совокупность nфункций
удовлетворяющих каждому уравнению
системы (22.73), называетсярешениемэтойсистемы.
Задача Кошидля системы (22.73) состоит в нахождении
решения этой системы, удовлетворяющегоначальным условиям:![]()
…,![]()
Основные методы интегрирования нормальных систем (22.73) –метод исключения и метод интегрируемых комбинаций.
Метод исключения
Этот метод позволяет свести нормальную систему из nлинейный дифференциальных уравнений к одному линейному дифференциальному уравнениюn-го порядка относительно одной неизвестной функции.
Метод интегрируемых комбинаций
Метод заключается в том, что посредством арифметических операций из уравнений системы (22.73) получают легко интегрируемые уравнения относительно новой неизвестной функции.
Пример 1. Решить систему:
1)
2)
3)
Решение. 1) Используем метод исключения. Дифференцируем первое уравнение системы по x:
![]()
Подставив
в полученное уравнение из второго
уравнения системы выражение вместо
имеем:
или
(22.74)
Последнее уравнение – линейное неоднородное дифференциальное уравнение 2-го порядка со специальной правой частью. Его соответствующее однородное уравнение:
![]()
Характеристическое уравнение последнего:
корни
которого
Тогда общее решение однородного
уравнения:
![]()
Ищем частное решение полученного неоднородного уравнения (22.74) в виде
![]()
где A, B – неопределенные коэффициенты.
Вычисляем производные:
![]()
![]()
Подставляем их в уравнение (22.74), группируем относительно sin x и cos x, приравниваем коэффициенты.
Получаем
систему
из которой находим![]()
Общее решение дифференциального уравнения 2-го порядка:
(22.75)
Возвращаемся
к первому уравнению заданной системы,
из которого выражаем
![]()
![]()
Подставляя в это уравнение продифференцированное общее решение (22.75), получим:
(22.76)
Функции (22.75) и (22.76) составляют общее решение заданной системы.
2)
Применим метод исключения. Выразим из
первого уравнения системы
![]()
![]()
Отсюда, дифференцируя по x, получим:
![]()
Подставим
правую часть полученного равенства
вместо
во второе уравнение системы:
или
![]()
Получили
однородное дифференциальное уравнение
2-го порядка с постоянными коэффициентами.
Его характеристическое уравнение:
решая которое, находим:
– корень кратности 2.
Тогда
![]()
Продифференцируем
функцию![]()
![]()
Возвращаясь к первому уравнению системы, имеем:
![]()
Упрощаем:
![]()
Таким образом, получаем общее решение заданной системы:
![]()
3) Используем метод исключения. Дифференцируем первое уравнение системы:
![]()
Подставив
в него выражения для
и
из 2-го и 3-го уравнений системы, получим
линейное однородное дифференциальное
уравнение 2-го порядка:
Его характеристическое уравнение имеет
вид:
корни которого
– простые комплексно-сопряженные. Тогда
общим решением однородного дифференциального
уравнения будет:
![]()
Из третьего уравнения системы получаем:
![]()
Подставим
в него найденное выражение для
получим линейное неоднородное
дифференциальное уравнение 1-го порядка:
(22.77)
Решим
его методом Эйлера. Характеристическое
уравнение соответствующего однородного
корень которого
Тогда общее решение соответствующего
однородного:
![]()
Частное решение неоднородного дифференциального уравнения ищем в виде
![]()
где A, B – неопределенные коэффициенты.
Вычисляем
и подставляем в неоднородное уравнение
(22.77).
Для определения A и B приходим к системе
![]()
из
которой находим
![]()
Тогда получаем:
![]()
Из
первого уравнения заданной системы
выразим
![]()
![]()
Подставим
в это равенство найденные
и
получим:
![]()
Таким образом, получено решение заданной системы дифференциальных уравнений:

Пример 2. Методом интегрируемых комбинаций решить систему

Решение. Воспользуемся методом интегрируемых комбинаций. Сложив оба уравнения системы, получим:
или
![]()
Обозначим
где
получим:
– уравнение с разделяющимися переменными.
Запишем его в виде
или
![]()
Отсюда
находим
Возвращаемся к старым переменным:
![]()
Выразим теперь y через x:
![]()
Продифференцируем
это равенство и подставим вместо
во 2-е уравнение системы:
![]()
После подстановки:
или
– это линейное уравнение 1-го
порядка.
Решим его методом Бернулли.
Пусть
тогда![]()
Отсюда
![]()
тогда

Это и есть общее решение исходной системы.
