Differenciálegyenletek

az elsőrendű lineáris egyenlet meghatározása

típusú differenciálegyenlet

\

ahol \(a \ left(x \right)\) és \(F\left(x \right)\) \(x,\) folytonos függvényei, azt elsőrendű lineáris nemhomogén differenciálegyenletnek nevezzük. Az elsőrendű lineáris differenciálegyenletek megoldásának két módszerét vesszük figyelembe:

  • integráló tényező használata;
  • állandó variációs módszer.

integráló tényező alkalmazásával

ha lineáris differenciálegyenletet írnak standard formában:

\

az integráló tényezőt a képlet határozza meg

\

az egyenlet bal oldalának Megszorozása az integráló tényezővel \(u \ left(x \right)\) a bal oldalt a \(y\left( x \right) u\left (x \right) termék származékává alakítja.\)

a differenciálegyenlet általános megoldását a következőképpen fejezzük ki:

\

ahol \(C\) tetszőleges állandó.

állandó variációs módszer

ez a módszer hasonló az előző megközelítéshez. Először meg kell találni a homogén egyenlet általános megoldását:

\

a homogén egyenlet általános megoldása integrációs állandót tartalmaz \(C.\) A \(C\) állandót egy bizonyos (még ismeretlen) függvényre cseréljük \(C\bal( x \jobb).\ ) Ha ezt a megoldást behelyettesítjük a nem homogén differenciálegyenletbe, meghatározhatjuk a \(C\left( x \right) függvényt.\)

a leírt algoritmust egy állandó variációs módszerének nevezzük. Természetesen mindkét módszer ugyanazt a megoldást eredményezi.

kezdeti érték probléma

ha a differenciálegyenlet mellett van egy kezdeti feltétel is \(y\left( {{x_0}} \right) = {y_0},\) az ilyen problémát kezdeti érték problémának (IVP) vagy Cauchy problémának nevezzük.

egy IVP-re adott megoldás nem tartalmazza a \(C,\) állandót, amelyet az általános megoldás kezdeti feltételbe történő helyettesítésével határozunk meg \(y\left( {{x_0}} \right) = {y_0}.\)

megoldott problémák

kattintson vagy koppintson egy problémára a megoldás megtekintéséhez.

1. példa

oldja meg a \(y’ – y – x{e^x} \) \(= 0 egyenletet.\)

2. példa

oldja meg a differenciálegyenletet \(xy ‘ = y + 2{x^3}.\)

3. példa

oldja meg a \(y’ – 2Y = x egyenletet.\)

4. példa

oldja meg a differenciálegyenletet \({x^2}y’ + xy + 2 \) \(= 0.\)

5. példa

oldja meg a kezdeti érték problémát: \(y’ – y\tan x \) \(= \sin x,\) \(y\left( 0 \right) = 1.\)

6. példa

oldja meg az (IVP) \(y’ + {\large\frac{3}{x}\normalsize}y \) \(= {\large\frac{2}{{{x^2}}}\normalsize}\) differenciálegyenletet a kezdeti feltétellel \(y\left( 1 \right) = 2.\)

7. példa

keresse meg a differenciálegyenlet általános megoldását \(y = \left( {2{y^4} + 2x} \right)y’.\)

példa 1.

oldja meg a \(y’ – y – x{e^x} \) \(= 0 egyenletet.\)

megoldás.

ezt az egyenletet standard formában írjuk át:

\

ezt az egyenletet az integráló tényező segítségével oldjuk meg

\

ezután a lineáris egyenlet általános megoldását az adja meg

\

példa 2.

oldja meg a differenciálegyenletet \(xy ‘ = y + 2{x^3}.\)

megoldás.

ezt a problémát egy állandó variációs módszerével oldjuk meg. Először megtaláljuk a homogén egyenlet általános megoldását:

\

amit a változók elválasztásával lehet megoldani:

\

ahol \(C\) pozitív valós szám.

most kicseréljük a \(C\) – t egy bizonyos (még ismeretlen) \(C\left( x \right)\) függvényre, és megtaláljuk az eredeti nemhomogén egyenlet megoldását a következő formában:

\

ezután a deriváltot

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

ennek helyettesítése az egyenletbe:

\ }={ C \ bal( x \ jobb) 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.}
\]

az integráció után megtaláljuk a \({C\left (x \ right)}:\)

\

ahol \({c_1}\) tetszőleges valós szám.

így az adott egyenlet általános megoldását a következő formában írjuk

\

oldal 1
problémák 1-2

Oldal 2
problémák 3-7

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.

More: