Differensialligninger

Definisjon Av Lineær Ligning Av Første Orden

en differensialligning av typen

\

der \(a \ venstre (x\ høyre)\) og \ (f \ venstre (x \høyre)\) er kontinuerlige funksjoner av \(x,\) kalles en lineær ikke-homogen differensialligning av første orden. Vi vurderer to metoder for å løse lineære differensialligninger av første orden:

  • bruke en integrerende faktor;
  • metode for variasjon av en konstant.

Ved Hjelp Av En Integrerende Faktor

hvis en lineær differensialligning er skrevet i standardformen:

\

integrasjonsfaktoren er definert av formelen

\

Multiplikasjon av venstre side av ligningen ved å integrere faktoren \(u\left (x \ right)\) konverterer venstre side til derivatet av produktet \(y \ left( x \right) u\left (x \right).\)

den generelle løsningen av differensialligningen uttrykkes som følger:

\

hvor \(C\) er en vilkårlig konstant.

Metode For Variasjon Av En Konstant

denne metoden ligner på forrige tilnærming. Først er det nødvendig å finne den generelle løsningen av den homogene ligningen:

\

den generelle løsningen av den homogene ligningen inneholder en konstant av integrasjon \(C.\) vi erstatter konstanten \(C\) med en viss (fortsatt ukjent) funksjon \(C \ venstre (x \ høyre).\ ) Ved å erstatte denne løsningen i den ikke-homogene differensialligningen, kan vi bestemme funksjonen \(C \ venstre (x \ høyre).\)

den beskrevne algoritmen kalles metoden for variasjon av en konstant. Selvfølgelig fører begge metodene til samme løsning.

Initial Value Problem

hvis i tillegg til differensialligningen, er det også en innledende tilstand i form av \(y \ left ({{x_0}} \ right) = {y_0},\) et slikt problem kalles initial value problem (IVP) eller cauchy problem.

en bestemt løsning for EN IVP inneholder ikke konstanten \(C,\) som er definert ved substitusjon av den generelle løsningen i den opprinnelige tilstanden \(y \ left ({{x_0}} \ right) = {y_0}.\)

Løste Problemer

Klikk eller trykk på et problem for å se løsningen.

Eksempel 1

Løs ligningen \(y ‘ – y-x{e^x} \) \ (=0.\)

Eksempel 2

Løs differensialligningen \(xy ‘ = y + 2{x^3}.\)

Eksempel 3

Løs ligningen \(y ‘- 2y = x.\)

Eksempel 4

Løs differensialligningen \({x^2}y ‘ + xy + 2\) \ (=0.\)

Eksempel 5

Løs det opprinnelige verdiproblemet: \(y ‘ – y \ tan x\) \ (=\sin x,\) \(y \ venstre (0 \ høyre) = 1.\)

Eksempel 6

Løs differensialligningen (IVP) \(y’ + {\large\frac{3}{x}\normalsize}y \) \(= {\large\frac{2} {{x^2}}\normalsize}\) med den opprinnelige tilstanden \(y\venstre (1 \ høyre) = 2.\)

Eksempel 7

Finn den generelle løsningen av differensialligningen \(y = \ venstre ({2{y^4} + 2x} \høyre)y’.\)

Eksempel 1.

Løs ligningen \(y ‘ – y-x{e^x} \) \ (=0.\ )

Løsning.

vi omskriver denne ligningen i standardform:

\

vi vil løse denne ligningen ved hjelp av integrasjonsfaktoren

\

da er den generelle løsningen av den lineære ligningen gitt ved

\

Eksempel 2.

Løs differensialligningen \(xy ‘ = y + 2{x^3}.\ )

Løsning.

vi løser dette problemet ved å bruke metoden for variasjon av en konstant. Først finner vi den generelle løsningen av den homogene ligningen:

\

som kan løses ved å skille variablene:

\

hvor \(C\) er et positivt reelt tall.

nå erstatter vi \(C\) med en viss (fortsatt ukjent) funksjon \(C \ left (x \ right)\) og vil finne en løsning av den opprinnelige ikke-homogene ligningen i form:

\

da er derivatet gitt av

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

Å Erstatte dette i ligningen gir:

\ }={ C \ venstre (x \ høyre)x + 2{x^3},\;\;}}\Rightarrow
{{C’\venstre( x \høyre){x^2} + \avbryt{C\venstre (x \ høyre) x} } = {\avbryt{C \ venstre (x \høyre)x} + 2{x^3},\;\;}}\Rightarrow
{C’ \ venstre (x \høyre) = 2x.}
\]

ved integrasjon finner vi funksjonen \({C \ left (x \ right)}:\)

\

hvor \ ({c_1}\) er et vilkårlig reelt tall.

således er den generelle løsningen av den gitte ligningen skrevet i form

\

Side 1
Problemer 1-2

Side 2
Problemer 3-7

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert.

More: