- •8. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений
- •8.1. Основные понятия
- •8.2 Методы решения
- •8.3 Задача Коши
- •8.3.1 Общие сведения
- •8.3.2 Одношаговые методы
- •Усовершенствованный метод ломаных. Улучшенная ломаная (явный).
- •Метод Эйлера с пересчетом. Усовершенствованный метод Эйлера (неявный).
- •Усовершенствованный метод Эйлера с уточнением. Усовершенствованный метод Эйлера с итерациями (неявный).
- •Метод Рунге-Кутта
- •8.3.3 Многошаговые методы
- •8.3.5. Системы дифференциальных уравнений и дифференциального уравнения высших порядков
- •8.4. Краевая задача
- •8.4.1. Метод стрельбы
- •8.4.2. Метод конечных разностей
8. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений
8.1. Основные понятия
В зависимости от числа независимых переменных дифференциального уравнения делятся на две существенно различные группы:
- обыкновенные дифференциальные уравнения, содержащие одну независимую переменную
- уравнения с частными производными, содержащие несколько независимых переменных.
Обыкновенные дифференциальные уравнения – уравнения, содержащие одну независимую производную и одну или несколько производных от искомой функции . Их можно записать в виде
(8.1)
где х - независимая переменная.
Наивысший порядок n, входящей в уравнение производной называется порядком дифференциального уравнения. Например, уравнения первого и второго порядков соответственно
В ряде случаев из общей записи дифференциального уравнения удается выразить старшую производную в явном виде
(8.2)
или для уравнений первого и второго порядков
Такая форма записи называется дифференциальным уравнением, разрешенным относительно старшей производной.
Решением дифференциального уравнения (8.1) называется всякая функция , которая после её подстановки в уравнение превращает его в тождество.
Общее решение дифференциального уравнения (8.1) n-го порядка содержит n производных постоянных c1, c2,…,cn, то есть общее решение имеет вид
(8.3)
Частное решение дифференциального уравнения получается из общего, если произвольным постоянным придать определенные значения
, (8.4)
если постоянные принимают определенные значения
Например, для уравнения первого порядка
- общее решение
- частное решение,
если (постоянная принимает значение ).
Для выделения частного решения из общего нужно задать дополнительные условия. Количество дополнительных условий соответствует количеству произвольных постоянных в общем решении, то есть равно порядку уравнения.
В качестве дополнительных условий могут задаваться значения искомой функции и её производных при некоторых значениях независимой переменной, то есть в некоторых точках.
В зависимости от способа задания дополнительных условий существует два различных типа задач:
- задача Коши, когда дополнительные условия задаются в одной точке. Дополнительные условия в задаче Коши называются начальными условиями, а точка х=х0, в которой они задаются, - начальной точкой.
- краевая задача, когда дополнительные условия задаются в более чем одной точке, то есть при разных значениях независимой переменной. Сами дополнительные условия при этом называются граничными (или краевыми) условиями. На практике обычно граничные условия задаются в двух точках х=а и х=b, являющихся границами области решения дифференциального уравнения.
Пример
Задача Коши
Краевая задача
, , (a>0, b>1)
, , ,
(a>1, b>3)