Differentiaaliyhtälöt

ensimmäisen kertaluvun lineaarisen yhtälön määritelmä

tyypin differentiaaliyhtälö

\

missä \(a\left(x \right)\) ja \(f\left(x \right)\) ovat jatkuvia funktioita \(x,\) kutsutaan ensimmäisen kertaluvun lineaariseksi epähomogeeniseksi differentiaaliyhtälöksi. Pidämme kaksi menetelmää ratkaista lineaarinen differential equations ensimmäisen kertaluvun:

  • käyttäen integroivaa tekijää;
  • vakion variaatiomenetelmä.

käyttäen Integroivaa tekijää

, jos standardimuodossa kirjoitetaan lineaarinen differentiaaliyhtälö:

\

integroiva kerroin määritellään kaavalla

\

kertomalla yhtälön vasen puoli integroivalla tekijällä \(u\left(x \right)\) muuntaa vasemman puolen tulon derivaataksi \(y\left( x \right) u\left (x \right).\)

differentiaaliyhtälön yleinen ratkaisu ilmaistaan seuraavasti:

\

missä \(C\) on mielivaltainen vakio.

Vakiovaihtelumenetelmä

tämä menetelmä on samankaltainen kuin aiempi lähestymistapa. Ensin on tarpeen löytää yleinen ratkaisu homogeeninen yhtälö:

\

homogeenisen yhtälön yleinen ratkaisu sisältää integraation vakion \(C\). \ korvataan vakio \(C\) tietyllä (vielä tuntemattomalla) funktiolla \(C\left( x \right).\ ) Korvaamalla tämän ratkaisun epähomogeeniseksi differentiaaliyhtälöksi voimme määrittää funktion \(C\left( x \right).\)

kuvattua algoritmia kutsutaan vakion variaatiomenetelmäksi. Molemmat menetelmät johtavat tietysti samaan ratkaisuun.

Alkuarviongelma

jos differentiaaliyhtälön lisäksi on olemassa myös alkuehto muodossa \(y\left( {{x_0}} \right) = {y_0},\) tällaista ongelmaa kutsutaan alkuarviongelmaksi (IVP) tai Cauchyn ongelmaksi.

erityinen ratkaisu IVP: lle ei sisällä vakiota \(C,\), joka määritellään korvaamalla yleinen ratkaisu alkutilaan \(y\left( {{x_0}} \right) = {y_0}.\)

ratkaistut ongelmat

klikkaa tai napauta ongelmaa nähdäksesi ratkaisun.

Esimerkki 1

ratkaise yhtälö \(y ’ – y-x{e^x} \) \ (=0.\)

Esimerkki 2

ratkaise differentiaaliyhtälö \(xy ’ = y + 2{x^3}.\)

esimerkki 3

ratkaise yhtälö \(y ’- 2Y = x.\)

esimerkki 4

ratkaise differentiaaliyhtälö \({x^2}y ’ + xy + 2\) \ (= 0.\)

esimerkki 5

ratkaise alkuarvon ongelma: \(y ’ – y\tan x \) \ (=\sin x,\) \(y\left( 0 \right) = 1.\)

esimerkki 6

ratkaise differentiaaliyhtälö(IVP) \(y’ + {\large\frac{3}{x}\normalsize}y\) \ (={\large\frac{2}{{{x^2}}}\normalsize}\), jossa alkuominaisuus \(y\left (1 \right) = 2.\)

esimerkki 7

Etsi differentiaaliyhtälön yleinen ratkaisu \(y = \left( {2{y^4} + 2x} \right)y’.\)

Esimerkki 1.

ratkaise yhtälö \(y ’ – y-x{e^x} \) \(= 0.\)

ratkaisu.

kirjoitamme tämän yhtälön uudelleen standardimuodossa:

\

ratkaisemme tämän yhtälön integroivan tekijän avulla

\

silloin lineaarisen yhtälön yleinen ratkaisu saadaan

\

Esimerkki 2.

ratkaise differentiaaliyhtälö \(xy ’ = y + 2{x^3}.\)

ratkaisu.

ratkaisemme tämän ongelman käyttämällä vakion variaatiomenetelmää. Ensin löydämme yleisen ratkaisun homogeeninen yhtälö:

\

joka voidaan ratkaista erottamalla muuttujat:

\

missä \(C\) on positiivinen reaaliluku.

nyt korvataan \(C\) tietyllä (vielä tuntemattomalla) funktiolla \(C\left (x \right)\) ja löydetään alkuperäisen epähomogeenisen yhtälön ratkaisu muodossa:

\

tällöin derivaatta saadaan kaavalla

\^\prime } }={ C ’ \left( x \right)x + C\left (x \right).}\]

korvaamalla tämä yhtälöllä saadaan:

\ }={ C\left (x \right)x + 2{x^3},\;\;}}\Rightarrow
{{C’\left( x \right) {x^2} + \cancel{C\left (x \right)x} } = { \cancel{C\left (x \right)x} + 2{x^3},\;\;}}\Rightarrow
{C ’ \left (x \right) = 2x.}
\]

integraation yhteydessä löydämme funktion \({C\left (x \right)}:\)

\

missä \({c_1}\) on mielivaltainen reaaliluku.

näin annetun yhtälön yleinen ratkaisu kirjoitetaan muodossa

\

sivu 1
ongelmat 1-2

Sivu 2
ongelmat 3-7

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.

More: