РефератыМатематикаДиДиференціальні рівняння першого порядку,

Диференціальні рівняння першого порядку,

Реферат на тему:


Диференціальні рівняння першого порядку,


не розв

яз
а
ні відносно похідної.


1. Основні поняття і означення, теорема про достатні умови існування і єдності розв

язку.


Диференціальне рівняння першого порядку, не розв’язані відносно похідної має вигляд


(5.1)


Найбільш часто зусрічаються диференціальні рівняння першого порядку -
ої степені.


Означення 5.1.

Функція , визначена і


(5.2)


неперервнодиференційовна на називається розв’язком Д.Р. (5.1), якщо вона після підстановки перетворює Д.Р. (5.1) в


тотожність



Означення 5.2.

Будемо говорити, що рівняння визначає розв’язок Д.Р.(5.1) в нормальній формі, якщо воно визначає як функцію і вона являється розв’язком Д.Р.(5.1).


Означення 5.3.

Рівняння ,
,, визначає розв’язок Д.Р.(5.1) в параметричній формі, якщо



Криві на ел., які відповідають розв’язкам, будемо називати


Задача Коші - задача знаходження розв’язків, які задовільняють умови .


Означення 5.4.

Говорять, що задача Коші для Д.Р.(5.1) з початковими умовами має єдиний розв’язок, якшо через в достатньо малому околі її проходить стільки , скільки напрямків поля визначає Д.Р. в цій точці. В противному – не єдиний розв’язок.


Теорема 5.1.

(про існування і єдиність розв’язку задачі Коші).


Якщо функція задовільняє наступним умовам:


а) Являється визначеною і неперервною разом зі своїми ЧП в деякому замкненому околі т.;


б);


в);


то Д.Р.(1) має єдиний розв’язок , визначений і неперервно диференційовний в околі т , задовільняючий умови і такий, що


► Без доведення ◄


Припустимо, що розв’язуючи Д.Р.(1) відносно , ми знайдемо дійсні розв’язки


(5.3)


де визначені в обл. так, що маємо Д.Р. першого порядку, розв’язаних відносно . Припустимо, що в точці , напрямок поля, визначений кожним Д.Р. (5.3), різний. Так що різних рівнянь не можуть дотикатися друг друга на .


Нехай кожне Д.Р. (5.3) на має загальний інтеграл


(5.4)


Означення 5.5.

Сукупність інтегралів (5.4) будемо називати загальним інтегралом Д.Р. (5.1) в обл. .


Інколи замвсть співвідношення (5.4) записують


(5.5)


Якщо поле на не задовільняє сказаному вище, тобто існує хоча б одна точка , в якій значення хоча б двох функцій співпали, то відповідаючі Д.Р. дотикаються друг друга в точці . Тому крім Д.Р. (5.3), будуть ще склеєні . Всі вони будуть входити в (5.4) або (5.5).


В загальному випадку Д.Р. (5.1) не удається розв’язати відносно в елементарних функціях. В цих випадках шукають однопараметричне сімейство в вигляді


(5.6)


яке називається загальним інтегралом Д.Р. (5.1).


Якщо сімейство задано в вигляді


(5.7)


то воно називається загальним розв’язком Д.Р. (5.1)


Зауважимо, що в (5.6) можуть входити і розв’язки Д.Р. виду (5.3), коли -комплексні. Ми таких Д.Р. не будемо розглядати, тому відповідні їм розв’язки треба виключати.


Сімейство , заданих в параметричному вигляді


(5.8)


будемо називати загальними розв’язками Д.Р. в параметричній формі.


Означення 5.6.

Розв’язок Д.Р. (5.1) будемо називати частинним розв’язком, якщо в кожній його точці задача Коші має єдиний розв’язок.


Означення 5.7.

Розв’язок називається особливим розв’язком, якщо в кожній його точці порушується єдинність розв’язку задачі Коші.


Аналогічно Д.Р., розв’язаним відносно , Д.Р. (5.1) може мати розв’язки, які являються ні частинними, ні особливими.


Аналіз частинних і особливих розв’язків для цих рівнянь більш складний. Зауважимо, що в випадку (5.3) розв’язок буде особливим, якщо буде особливим хоча б для одного з Д.Р. (5.3).


Приклад 5.1.


(5.9)


З (5.9) маємо:


Тоді - загальний інтеграл.


або . Цей загальний інтеграл є накладенням сімейств двох (мал. 5.1).



Розв’язок задачі Коші для Д.Р. (5.9) в кожній точці площіни являється єдиним. В точці ми маємо два напрямки поля:; І через цю точку проходить два


, якщо (5.11)


і , якщо .


Розв’язки (10),(11) – частинні розв’язки. Особливих розв’язків немає.


2. Знаходження кривих, підозрілих на особливий розв’язок.


Припустимо, що Д.Р. (5.1) представлено в формі (5.3). При досліджені на особливий розв’язок рівнянь виду (5.3) ми прийшли до висновку, що ці розв’язки можливі на тих кривих, на яких являється необмеженою. Але в переході від Д.Р. (5.1) до рівнянь (5.3) є недоцільність при визначені особливих розв’язків, так як .


Дійсно, припустимо, що _____ похідні , тоді


, звідки (5.12).


Припустимо, що , тоді буде необмеженою при умові


(5.13)


Таким чином, криві, підозрілі на особливий розв’язок будуть визначатися з системи


(5.14)


Розв’язок системи (5.14)


=0 (5.15)


дискримінантна крива. Якщо вона задовільняє Д.Р. (5.1) і в кожній точці порушується єдність, то це буде особливий розв’язок.


Приклад 5.2.


(5.16)


, (5.17)


Співвідношення (5ю17) – дискримінантна крива рівняння (5.16). А на ній ми маємо не два а один напрямок поля . В той же час – через неї може проходити не одна .


5.3. Загальний метод введення параметра.


Розглянемо Д.Р. (5.1). Припустимо, що воно допускає параметризацію


(5.18)


Так, що при всіх значеннях параметрів і .


Використовуючи (5.18) і співвідношення ми з Д.Р. (5.1) завжди зможемо привести до Д.Р., яке розв'язане Відносно похідної.



Тому



Візьмемо, наприклад, за незалежну змінну, – за залежну, тоді прийдемо до Д.Р.


(5.19)


Якщо


(5.20)


– загальний розв'язок Д.Р. (5.19), то загальний розв'язок Д.Р. (5.1) можна отримати в параметричній формі.


(5.21)


Розглянемо деякі частинні випадки:


А. Д.Р., розв'язані віднлсносно шуканої функції.


Це рівняння має вигляд


(5.22)


За параметри і можна взяти і . Позначимо , тоді


enter;"> (5.23)


Маємо



Звідки


(5.24)


Нехай – загальний розв'язок Д.Р. (5.24), тоді – загальний розв'язок Д.Р. (5.22).


Д.Р. (5.24) може мати особливий розв'язок , тоді Д.Р. (5.22) може мати особливий розв'язок .


Б. Випадок, коли Д.Р. розв'язане відносно незалежної змінної.


Це рівняння має вигляд


(5.25)


Інтегрується воно аналогічно Д.Р. (5.22). Покладемо . Тоді



Використовуючи співвідношення , отримаємо


(5.26)


Якщо – загальний інтеграл Д.Р. (5.26), то


(5.27)


загальний інтеграл Д.Р. (5.25).


Якщо – особливий рощзв'язок Д.Р.(5.26), то -може бути особливим розв'язком Д.Р. (5.25).


Розглянемо тепер більш прості випадки, коли рівняння можна проінтегрувати.


В. Рівняння Лагранжа.


Це рівняння має вигляд


(5.28)


Воно інтегрується в квадратурах. Покладемо . Тоді


(5.29)


З (5.29) маємо


(5.30)


Д.Р. (5.30) лінійне по


(5.31)


Нехай – розв'язок Д.Р. (5.31). Тоді загальний розв'язок рівняння Лагранжа запишемо в параметричній формі


(5.32)


Особливі розв'язки можуть бути там, де


(5.33)


тобто


(5.34),


де – корені рівняння (5.33).Розв'язок (5.34) може бути частинним або особливим.


Г. Рівняння Клеро.


Це рівняння – частинний випадок рівняння Лагранжа, коли .


(5.35)


Покладемо , тоді


(5.36)


Використовуючи , отримаємо


(5.37)


Рівняння (5.37) розпадається на два


(5.38)


Перше рівняння дає , підставляючи яке в (5.35) будемо мати загальний розав’язок


(5.39)


Друге - , разом з (5.35) утворює параметричні розв’язкі


(5.40)


Розв’язок (5.40) являється особливим, так як він співпадає з _______. Дійсно



звідки


(5.41)


Дискримінантна крива (3.41) співпадає з розв’язком (3.40).


Приклад 5.3.


Розв’язати рівняння Лагранжа.


Покладемо . Маємо ,


,


Отримали лінійне рівняння



Його розв’язок


(5.42)


(5.43)


загальний розв’язок нашого рівняння в параметричній формі. Або, виключаючи :


(5.44)


Знайдемо ті розв’язки, яким відповідають



Перший розв’язок – офівфісобливий, другий – частинний.


Приклад 5.4.



Це рівняння Клеро. Його загальний розв’язок –



Запишемо дискримінантну криву



Звідки - особливий розв’язок, так як через цей розв’язок проходить ще розв’язок, який міститься в загальному при .


4. Неповні рівняння.


а). Д.Р. які містять тільки похідну.


Це рівняння вигляду


(5.45)


Рівняння (5.45) може мати скінчену або нескінчену кількість дійсних розв’язків.


(5.46)


де – деякі числа, задовільняючі функцію .


Інтегруємо (5.46)


(5.47)


Так як то


(5.48)


загальний інтеграл Д.Р. (5.45). Таким чином при таких припущеннях Д.Р. (5.45) є системою прямих ліній, які можна записати у вигляді (5.48). При цьому в (5.48) можуть входити комплексні розв’язки Д.Р.


Приклад 5.5.


Розв’язати .


Згідно (5.48) – загальний інтеграл. Однак у нього крім дійсного розв’язку , входять розв’язки комплексного Д.Р.


б) Д.Р., які не містять шуканої функції
мають вигляд


(5.49)


Якщо (5.49) можна розв’язати відносно похідної


(5.50)


то


(5.51)


являється загальним інтегралом Д.Р. (5.49).


Якщо ж розв’язати відносно не можна, а допускається параметризація


(5.52)


тобто


(5.53)


Тоді загальний розв’язок знаходять в параметричній формі


(5.54)


Якщо Д.Р. (5.49) має вигляд


(5.55)


тоді це рівняння легко параметризується .В частинному випадку . Загальний розв’язок запишеться в формі


(5.56)


Приклад 5.6.


Зайти загальний розв’язок рівняння .


Вводимо параметризацію .


, ,


Маємо



Загальний розв’язок в параметричній формі.


в) Д.Р., які не містятьнезалежної змінної.


Це рівняння вигляду


(5.57)


Якщо рівняння (5.57) розв’язане відносно , тобто


(5.58)


то


(5.59)


Являється загальним інтегралом Д.Р. (5.57). Особливими розв’язками можуть бути криві , де – корені рівняння (або ).


Якщо Д.Р. (5.57) не можна розв’язати відносно , але воно допускає параметризацію


(5.60)


то


(5.61)


Загальний розв’язок Д.Р. (5.57) в параметричній формі.


Приклад 5.7.


Розв’язати . Введемо параметризацію .



звідки



зашальний розв’язок нашого рівняння.


г) Узагальнено однорідні рівняння.


Д.Р. назвемо узагальнено однорідним, якщо ліва частина являється однорідною функцією аргументів , яким відповідають величини -го, -го і виміру, тобто


(5.62)


Зробимо заміну


(5.63)


де – нова незалежна змінна, – нова шукана функція. Маємо



тобто . З іншої сторони


(5.64)


Підставимо (5.63),(5.64) в Д.Р. (5.1)



отримане рівняння


(5.65)


не містить незалежної змінної .

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Диференціальні рівняння першого порядку,

Слов:1701
Символов:15665
Размер:30.60 Кб.