Задачи № 91-110

Названные задачи относятся к теме «Дифференциальные уравнения». По этой теме необходимо изучить следующие вопросы:

1. Какое уравнение называется дифференциальным? Как определяется порядок дифференциального уравнения?

Определение. Уравнение, связывающее независимую переменную , искомую функцию и ее производные, называется дифферен-циальным.

или

Порядок дифференциального уравнения определяется наличием наивысшей производной:

- дифференциальное уравнение первого порядка

- дифференциальное уравнение второго порядка

2. Что называется решением дифференциального уравнения? Общее и частные решения дифференциальных уравнений первого и второго порядка.

Определение. Решением дифференциального уравнения называется такая функция , которая вместе с ее производными удовлетворяет этому уравнению (превращает его в тождество).

Общее решение имеет вид: .

Решение, полученное из общего при конкретных значениях произвольных постоянных называется частным.

Общее решение дифференциальных уравнений первого и второго порядка имеют соответственно вид:

3. Задача Коши для дифференциального уравнения первого и второго порядков.

Задача отыскания частного решения дифференциального уравнения, удовлетворяющего начальным условиям:

4. Дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными: . Нахождение их общего и частного решений.

Дифференциальные уравнения первого порядка с разделяющимися переменными сводится к уравнению с разделенными переменными , которое решается интегрированием обеих частей:

5. Линейное дифференциальное уравнение первого порядка: Отыскание его общего и частного решений.

Линейные дифференциальные уравнения первого порядка

при является уравнением с разделяющимися переменными. Если , то уравнение решается с помощью подстановки ,где и неизвестные функции, зависимые от . После ряда преобразований линейное уравнение сводится к двум дифференциальным уравнениям с разделяющимися переменными.

6. Линейные однородные и неоднородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами, нахождение их общих и частных решений.

Задача. Найти общее решение дифференциального уравнения и частное решение, удовлетворяющее начальному условию

Уравнения предлагаемого вида являются линейными, так как содержат искомую функцию «» и ее производную «» в первых степенях. Один из способов решения таких уравнений заключается в том, что функцию y(x) ищем в виде произведения двух дифференцируемых функций u(x) и v(x), одна из которых подбирается специальным образом, а другая находится из условия их удовлетворения исходному уравнению. С помощью этого приема решение линейного дифференциального уравнения первого порядка сводится к решению двух дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными соответственно для функций u(x) и v(x).

Рассмотрим ряд примеров. Напомним, что производная равна отношению дифференциалов:

Пример 1. ; при .

Ищем решение уравнения в виде . Найдем производную этого произведения: . Подставим функцию y и ее производную в исходное уравнение:

В левой части уравнения сгруппируем слагаемые, имеющие общий множитель «», и вынесем его за скобку:

Подберем вспомогательную функцию «» так, чтобы обратилось в нуль выражение, стоящее в круглых скобках:

(1)

Тогда уравнение примет вид:

(2)

Оба последних уравнения решаются разделением переменных.

Сначала находим частное решение первого из них, то есть функцию , а затем, подставив ее во второе уравнение, найдем функцию .

1) ; 2) ; ; ; ;

Замечание. Решая первое уравнение (для вспомогательной функ-ции ), берем лишь его частное решение, соответствующее . При решении второго уравнения для функции находим общее решение уравнения.

Так как , то - общее решение уравнения.

Для нахождения частного решения обратимся к начальному условию: при . Подставим эти значения в найденное общее решение дифференциального уравнения:

,

так как , то

Подставим найденное значение С в общее решение дифференциального уравнения, получим его частное решение:

.

Ответ: - общее решение дифференциального уравнения;

- частное решение дифференциального уравнения.

Пример 2. ;

Ищем решение в виде

Найдем производную: .

Подставим в исходное уравнение и :

;

Сгруппируем подчеркнутые слагаемые, вынеся за скобку общий множитель u:

Подберем вспомогательную функцию из условия:

(1)

Тогда уравнение примет вид:

(2)

Решаем поочередно два последних уравнения, причем для первого из них берем лишь частное решение , соответствующее .

Таким образом, - общее решение данного дифференциального уравнения.

Для нахождения частного решения воспользуемся начальными условиями: , подставив их в найденное общее решение:

Подставим , в общее решение уравнения:

Пример 3.

Ищем решение в виде , тогда .

Подставим и в данное уравнение:

Потребуем, чтобы (1), тогда (2)

Решим последовательно оба уравнения, причем для первого из них берем лишь частное решение при .

Так как , то

- это общее решение исходного дифферен-

циального уравнения.

Для нахождения частного решения обратимся к начальным условиям ; и подставим их в найденное общее решение:

Искомое частное решение получим из общего, подставив в него найденное значение :

Ответ: - общее решение;

- частное решение.

Замечание. Чтобы проверить правильность найденного решения (общего или частного), нужно подставить его в исходное уравнение и убедиться, что получится верное равенство (тождество).

Пример 4. Найти частное решение уравнения:

,

удовлетворяющее начальным условиям .

Решение. Общее решение данного уравнения равно сумме общего решения однородного уравнения и какого-либо частного решения данного уравнения, то есть

Для нахождения составим характеристическое уравнение , имеющее комплексные корни . В этом случае общее решение однородного уравнения ищем в виде

(4)

где - комплексные корни характеристического уравнения. Подставим в (4) , имеем:

Для нахождения частного решения неоднородного дифференциального уравнения воспользуемся следующей теоремой: если правая часть неоднородного уравнения есть функция и числа не являются корнями характеристического уравнения, то существует частное решение . Если же числа являются корнями характеристического уравнения, то существует частное решение .

Применяя эту теорему при , имеем:

.

Дважды дифференцируя последнее равенство, находим :

Подставив в данное уравнение , получим:

,

Откуда , .

Следовательно, и

Найдем :

Используя начальные условия, получим систему

Следовательно, есть искомое частное решение данного дифференциального уравнения.