Równania różniczkowe. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu pierwszego. Małgorzata Wyrwas

Podobne dokumenty
Równania różniczkowe zwyczajne

1 Równania różniczkowe zwyczajne

Równania różniczkowe. Równania różniczkowe zwyczajne rzędun,n 2. Małgorzata Wyrwas. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

5 Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

Wykład 14 i 15. Równania różniczkowe. Równanie o zmiennych rozdzielonych. Definicja 1. Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu n nazywamy równanie

Równania różniczkowe. Analiza Matematyczna. Aleksander Denisiuk

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

III. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

Matematyka 2. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Analiza matematyczna i algebra liniowa Elementy równań różniczkowych

1 Równania różniczkowe drugiego rzędu

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Wiele obiektywnych prawidłowości przyrodniczych udaje się zapisać w postaci równości formalnej

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 1

Układy równań i równania wyższych rzędów

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Równania różniczkowe zwyczajne. 1 Rozwiązywanie równań różniczkowych pierwszego rzędu

Równania różniczkowe wyższych rzędów

Równania różniczkowe wyższych rzędów

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

Analiza Matematyczna część 5

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 5

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Definicje i przykłady

1 Równanie różniczkowe pierwszego rzędu

2. Kombinacja liniowa rozwiązań zeruje się w pewnym punkcie wtedy i tylko wtedy, gdy zeruje się w każdym punkcie.

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

Równania różniczkowe zwyczajne

Wstęp do równań różniczkowych

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

Równania różniczkowe

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Całki nieoznaczone

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

ROZWIĄZANIA I ODPOWIEDZI

25. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE PIERWSZEGO RZĘDU. y +y tgx=sinx

1 Wiadomości wstępne z równań różniczkowych Podstawowe definicje Interpretacja geometryczna równania rzędu pierwszego...

Rachunek różniczkowy i całkowy 2016/17

Wstęp do równań różniczkowych

Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu, cd

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

Równania różniczkowe. Notatki z wykładu.

Temat wykładu: Równania różniczkowe. Anna Rajfura, Matematyka na kierunku Biologia w SGGW 1

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

2 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

1. Równanie różniczkowe pierwszego rzędu

Równania różniczkowe zwyczajne analityczne metody rozwiazywania

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Równania różniczkowe

Równania różniczkowe. Lista nr 2. Literatura: N.M. Matwiejew, Metody całkowania równań różniczkowych zwyczajnych.

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 4

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 2. O tym, co można rozwiazać analitycznie. P. F. Góra

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 3

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki nieoznaczone

Funkcje dwóch zmiennych

13. Równania różniczkowe - rozwiązywanie

Szeregi funkcyjne. Szeregi potęgowe i trygonometryczne. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

ANALIZA MATEMATYCZNA

11 Równania różniczkowe cząstkowe. Równania różniczkowe cząstkowe pierwszego rzędu.

22. CAŁKA KRZYWOLINIOWA SKIEROWANA

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Całki krzywoliniowe skierowane

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 1. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne. P. F. Góra

x y = 2z. + 2y, z 2y df

Rachunek różniczkowy funkcji dwóch zmiennych

y f x 0 f x 0 x x 0 x 0 lim 0 h f x 0 lim x x0 - o ile ta granica właściwa istnieje. f x x2 Definicja pochodnych jednostronnych

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

6 Układy równań różniczkowych. Równania wyższych rzędów.

Metody przybliżonego rozwiązywania równań różniczkowych zwyczajnych

Metoda rozdzielania zmiennych

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 10. Dwupunktowe problemy brzegowe (BVP, Boundary Value Problems)

RÓŻNICZKOWANIE FUNKCJI WIELU ZMIENNYCH: rachunek pochodnych dla funkcji wektorowych. Pochodne cząstkowe funkcji rzeczywistej wielu zmiennych

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Marta Zelmańska

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 1. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne. P. F. Góra

Wykład VI. Badanie przebiegu funkcji. 2. A - przedział otwarty, f D 2 (A) 3. Ekstrema lokalne: 4. Punkty przegięcia. Uwaga!

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

Tydzień nr 9-10 (16 maja - 29 maja), Równania różniczkowe, wartości własne, funkcja wykładnicza od operatora - Matematyka II 2010/2011L

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

Informacje pomocnicze:

Treści programowe. Matematyka 1. Efekty kształcenia. Literatura. Warunki zaliczenia. Ogólne własności funkcji. Definicja 1. Funkcje elementarne.

1 Całki funkcji wymiernych

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

4 Równania różniczkowe w postaci Leibniza, równania różniczkowe zupełne

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 12

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

WYDZIAŁ INFORMATYKI I ZARZĄDZANIA, studia niestacjonarne ANALIZA MATEMATYCZNA1, lista zadań 1

%*$*+ RÓWNANIA RÓ NICZKOWE ZWYCZAJNE I CZ STKOWE ZADANIA Z MATEMATYKI SU Janina Niedoba Wies aw Niedoba

Przykład przedstawia rozwiązanie problemu brzegowego 7u +3xu=9x 2 +4 u ( 1)=3 u(2)= 2

Całka nieoznaczona wykład 7 ( ) Motywacja

Całki krzywoliniowe. SNM - Elementy analizy wektorowej - 1

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 4. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne

Rachunek całkowy - całka oznaczona

13. Równania różniczkowe - portrety fazowe

Transkrypt:

Równania różniczkowe Równania różniczkowe zwyczajne rzędu pierwszego Małgorzata Wyrwas Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka Równania różniczkowe str. 1/49

Równania różniczkowe Równaniem różniczkowym nazywamy równanie, w którym występuje związek funkcji niewiadomej i jej pochodnych. Rzad równania różniczkowego jest równy największemu rzędowi występujących w nim pochodnych. Równania różniczkowe str. 2/49

Równania różniczkowe Równaniem różniczkowym nazywamy równanie, w którym występuje związek funkcji niewiadomej i jej pochodnych. Rzad równania różniczkowego jest równy największemu rzędowi występujących w nim pochodnych. Równania różniczkowe zwyczajne cząstkowe jeżeli niewiadoma funkcja zależy tylko od jednego argumentu, np.y +x y=sinx. jeżeli niewiadoma funkcja zależy od kilku argumentów. Równania różniczkowe str. 2/49

Równania różniczkowe zwyczajne Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędunnazywamy równanie postaci F ( x,y,y,y,...,y (n)) =0, (1) w którym niewiadomą jest funkcjay=y(x) i w którym występuje pochodna rzęduntej funkcji wraz z pochodnymi niższych rzędów, tzn.y = dy dx,y = d2 y dx 2,...,y(n) = dn y dx n. Równania różniczkowe str. 3/49

Przykłady równań różniczkowych zwyczajnych y +3x y 2 =8 Równania różniczkowe str. 4/49

Przykłady równań różniczkowych zwyczajnych y +3x y 2 =8 < równanie różniczkowe rzędu pierwszego Równania różniczkowe str. 4/49

Przykłady równań różniczkowych zwyczajnych y +3x y 2 =8 < równanie różniczkowe rzędu pierwszego y +3x y x 3 y 2 =0 Równania różniczkowe str. 4/49

Przykłady równań różniczkowych zwyczajnych y +3x y 2 =8 < równanie różniczkowe rzędu pierwszego y +3x y x 3 y 2 =0 < równanie różniczkowe rzędu drugiego Równania różniczkowe str. 4/49

Przykłady równań różniczkowych zwyczajnych y +3x y 2 =8 < równanie różniczkowe rzędu pierwszego y +3x y x 3 y 2 =0 < równanie różniczkowe rzędu drugiego d3 s 3 t s2 ds dt dt =5 Równania różniczkowe str. 4/49

Przykłady równań różniczkowych zwyczajnych y +3x y 2 =8 < równanie różniczkowe rzędu pierwszego y +3x y x 3 y 2 =0 < równanie różniczkowe rzędu drugiego d3 s 3 t s2 ds dt dt =5 < równanie różniczkowe rzędu trzeciego Równania różniczkowe str. 4/49

Przykłady równań różniczkowych zwyczajnych y +3x y 2 =8 < równanie różniczkowe rzędu pierwszego y +3x y x 3 y 2 =0 < równanie różniczkowe rzędu drugiego d3 s 3 t s2 ds dt dt =5 < równanie różniczkowe rzędu trzeciego d5 y dt 5 t y3 =sint Równania różniczkowe str. 4/49

Przykłady równań różniczkowych zwyczajnych y +3x y 2 =8 < równanie różniczkowe rzędu pierwszego y +3x y x 3 y 2 =0 < równanie różniczkowe rzędu drugiego d3 s 3 t s2 ds dt dt =5 < równanie różniczkowe rzędu trzeciego d5 y dt 5 t y3 =sint < równanie różniczkowe rzędu piątego Równania różniczkowe str. 4/49

Przykłady równań różniczkowych zwyczajnych y +3x y 2 =8 < równanie różniczkowe rzędu pierwszego y +3x y x 3 y 2 =0 < równanie różniczkowe rzędu drugiego d3 s 3 t s2 ds dt dt =5 < równanie różniczkowe rzędu trzeciego d5 y dt 5 t y3 =sint < równanie różniczkowe rzędu piątego y (4) y =5xy Równania różniczkowe str. 4/49

Przykłady równań różniczkowych zwyczajnych y +3x y 2 =8 < równanie różniczkowe rzędu pierwszego y +3x y x 3 y 2 =0 < równanie różniczkowe rzędu drugiego d3 s 3 t s2 ds dt dt =5 < równanie różniczkowe rzędu trzeciego d5 y dt 5 t y3 =sint < równanie różniczkowe rzędu piątego y (4) y =5xy < równanie różniczkowe rzędu czwartego Równania różniczkowe str. 4/49

Całka (rozwiazanie) równania różniczkowego Rozwiazaniem lub całka równania różniczkowego F ( x,y,y,y,...,y (n)) =0 w przedziale(a,b) nazywamy każdą funkcję zmiennejxwyrażoną w postaci jawnej lub w postaci uwikłanej y=y(x) h(x,y)=0, która ma pochodne do rzędunwłącznie i spełnia równanie F ( x,y,y,y,...,y (n)) =0 dlax (a,b). Równania różniczkowe str. 5/49

Przykład. Funkcja y = 2x jest całką równania x 2 y 2xy +2y=0, gdyży =2 iy =0 orazx 2 0 2x 2+2 2x=0. Przykład. Funkcjax 2 +y 2 =4 jest całką równania x+yy =0, gdyż 2xdx + 2ydy = 0 i po podzieleniu przez 2dx otrzymujemy równaniex+y dy dx =0. Równania różniczkowe str. 6/49

Wykres całkiy=y(x) równania różniczkowego F ( x,y,y,y,...,y (n)) =0. nazywamy krzywa całkowa tego równania Przykład. y < krzywe całkowe równaniay = y x Równania różniczkowe str. 7/49

Rozwiazaniem ogólnym lub całka ogólna równania F ( x,y,y,y,...,y (n)) =0 w obszarze istnienia i jednoznaczności rozwiązań nazywamy rozwiązanie równania F ( x,y,y,y,...,y (n)) =0 zależne odndowolnych stałychc 1,C 2,...C n wyrażone w postaci jawnej lub w postaci uwikłanej y=y(x,c 1,C 2,...,C n ) h(x,y,c 1,C 2,...,C n )=0, i takie, że podstawiajac dowolne wartości zac 1,C 2,...C n otrzymamy wszystkie znajdujące się w tym obszarze krzywe całkowe i tylko te krzywe. Równania różniczkowe str. 8/49

Podstawiając zac 1,C 2,...C n konkretne wartości otrzymamy tzw. lub całkę szczególna rozwiazanie szczególne równaniaf ( x,y,y,y,...,y (n)) =0. Równania różniczkowe str. 9/49

Przykład. Funkcja y= C 1 x +C 2 jest całką ogólną równaniaxy +2y =0, zaś funkcje y= 1 x,y= 3 x +5,y= 1, to całki szczególne równaniaxy +2y =0. Uwaga: Geometrycznie każdej całce szczególnej odpowiada pewna linia płaska (wykres całki), a całce ogólnej odpowiada zbiór (rodzina) wszystkich krzywych całkowych. Równania różniczkowe str. 10/49

Rozwiazanie osobliwe (lub całka osobliwa) jest to rozwiązanie równaniaf ( x,y,y,y,...,y (n)) =0, którego NIE można otrzymać z rozwiązania ogólnego przez podstawienie zac 1,C 2,...C n dowolnych wartości. Przykład. Funkcja y = 0 jest rozwiązaniem osobliwym równania y =2 y. Całką ogólną tego równania jest y=t+c, gdzie t+c 0. Równania różniczkowe str. 11/49

Zagadnienie Cauchy ego (zagadnienie poczatkowe) Zagadnieniem Cauchy ego równania F ( x,y,y,y,...,y (n)) =0 nazywamy zagadnienie znalezienia całki szczególnej tego równania, spełniającej warunki początkowe: y(x 0 )=y 0, y (x 0 )=y 1,,...y (n 1) (x 0 )=y n 1 gdziex 0,y 0,y 1,...y n 1 nazywamy wartościami poczatkowymi. Równania różniczkowe str. 12/49

Przykład. Znajdziemy całkę szczególną równaniay =6x spełniająca warunek początkowy: y(0)=2 y (0)=3. y =6x y =3x 2 +C 1 y=x 3 +C 1 x+c 2 y(0)=2 C 2 =2 y (0)=3 C 1 =3 y=x3 +3x+2 jest rozwiązaniem szczególnym równaniay =6x. Równania różniczkowe str. 13/49

Równania różniczkowe rzędu pierwszego Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu pierwszego nazywamy równanie postaci F(x,y,y )=0, (2) gdziey=y(x) jest funkcją niewiadomą zmiennejx. Równania różniczkowe str. 14/49

Rozwiazaniem ogólnym lub całka ogólna równaniaf(x,y,y )=0 w przedziale(a,b) nazywamy każdą funkcję zależną od dowolnej stałejc i wyrażoną w postaci jawnej lub w postaci uwikłanej y=y(x,c) h(x,y,c)=0, która ma pochodną rzędu pierwszego i spełnia równanief(x,y,y )=0 dla x (a, b). Wówczas podstawiajac dowolne wartości zac otrzymamy wszystkie znajdujące się w tym obszarze krzywe całkowe i tylko te krzywe. Równania różniczkowe str. 15/49

Całka szczególna lub rozwiazaniem szczególnym równania F(x,y,y )=0 w przedziale(a,b) nazywamy każdą funkcję wyrażoną w postaci jawnej lub w postaci uwikłanej y=y(x) h(x,y)=0, która ma pochodną rzędu pierwszego i spełnia równanie F(x,y,y )=0 dlax (a,b). Równania różniczkowe str. 16/49

Jeżeli z równaniaf(x,y,y )=0 można wyznaczyćy, to równanie to przyjmuje postać y =f(x,y). Będziemy posługiwali się również tzw. formą różniczkową równania różniczkowego, czyli równaniem postaci: P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0. Równania różniczkowe str. 17/49

Zagadnienie Cauchy ego Mając daną całkę ogólną y = y(x, C) równania (2)F(x,y,y )=0 można rozwiązać zagadnienie Cauchy ego dla tego równania, które polega na wyznaczeniu całki szczególnej równania (2) spełniającej warunek początkowy y(x 0 )=y 0. Wówczas z równania y 0 =y(x 0,C) wyznaczamy stałąc=c(x 0,y 0 ). Następnie po podstawieniu otrzymanej stałejc do rozwiązania ogólnego otrzymujemy szukaną całkę szczególną. Równania różniczkowe str. 18/49

Interpretacja geometryczna zagadnienia Cauchy ego y 0 y W interpretacji geometrycznej zagadnienie Cauchy ego polega na wybraniu z rodziny krzywych całkowych jednej krzywej, która przechodzi przez z góry zadany punkt(x 0,y 0 ). Na przykład całką ogólną równania jest y = 2xy x 0 x a funkcja y=ce x2, y=y 0 e x2 +x 2 0 jest rozwiązaniem zagadnienia Cauchy ego odpowiadającego warunkowi początkowemu y(x 0 )=y 0. Równania różniczkowe str. 19/49

Równania o zmiennych rozdzielonych Niechf:(a,b) R,h:(c,d) R będą funkcjami ciągłymi, gdzie(a,b),(c,d) - są to skończone lub nieskończone przedziały oraz h(y) 0 dla wszystkich y (c, d). Równanie różniczkowe o funkcji niewiadomejy(x) nazywamy dy dx =f(x) h(y), (3) równaniem różniczkowym o zmiennych rozdzielonych. Równania różniczkowe str. 20/49

Równanie dy dx =f(x) h(y) można zapisać równoważnie w formie różniczkowej następująco: h(y)dy=f(x)dx. Równania różniczkowe str. 21/49

Stwierdzenie. NiechF - funkcja pierwotna funkcjif w(a,b),h - funkcja pierwotna funkcjihw(c,d). Wtedy zbiór rozwiązań równania dy dx =f(x) h(y) zbiór rozwiązań równania H(y(x))=F(x)+C, jest taki sam jak gdziec R C jest dowolną stałą dobraną do funkcjif,h,y. Równania różniczkowe str. 22/49

Uwaga: Równanie H(y(x)) = F(x) + C, zapisujemy w następujący sposób: h(y)dy = f(x)dx+c. Równania różniczkowe str. 23/49

Twierdzenie. Jeżelif:(a,b) Rih:(c,d) Rsą funkcjami ciągłymi ih(y) 0 dla wszystkichy (c,d), to wzór h(y)dy = równania y = f(x) h(y), f(x)dx + C przedstawia całkę ogólną przez każdy punkt(x 0,y 0 ), gdziex 0 (a,b) iy 0 (c,d), przechodzi dokładnie jedna krzywa całkowa równania y = f(x) h(y). Krzywa ta jest rozwiązaniem zagadnienia Cauchy ego y = f(x) h(y),y(x 0)=y 0. Równania różniczkowe str. 24/49

Przykład. Rozwiążmy równanie y = 2xy. Rozdzielamy zmienne dy = 2xdx i wyznaczamy całkę ogólna równania (mówimy, że y całkujemy równanie). dy y = 2 xdx ln y = x 2 +ln C, gdziec 0 Stąd dlac 0 funkcja y=ce x2 jest rozwiązaniem równania. GdyC=0 y=0 y =0; równanie jest spełnione, czyliy=0 jest krzywą całkową równania. Zatem rodzina y=ce x2, gdziec R jest całką ogólną (rozwiązaniem ogólnym) równania. Równania różniczkowe str. 25/49

Szczególne przypadki równań różniczkowych o zmiennych rozdzielonych Rozpatrzmy równanie y =f(x), gdzief jest ciągła na przedziale(a,b) R. Wówczas całkując obie strony względem zmiennejx otrzymujemy: y= f(x)dx y=f(x)+c, gdzief (x)=f(x), dlax (a,b). Równania różniczkowe str. 26/49

Szczególne przypadki równań różniczkowych o zmiennych rozdzielonych Rozpatrzmy równanie y =g(y), gdzieg ma ciągłą pochodną na przedziale(c,d) R. Wówczas dy g(y) = gdzie G (y)= 1 g(y), dlay (c,g). dx G(y)=x+C, Równania różniczkowe str. 27/49

Równania różniczkowe rzędu pierwszego sprowadzalne do równań o zmiennych rozdzielonych Równanie jednorodne Niechf będzie funkcją ciągła na przedziale(a,b) orazf(u) u. Równanie różniczkowe ) dy y dx =f( x, (4) o funkcji niewiadomejy(x) nazywamy równaniem różniczkowym jednorodnym. Równania różniczkowe str. 28/49

Równanie jednorodne Aby rozwiązać równanie jednorodne stosujemy podstawienie u(x)= y x, Wtedy y=ux dy dx =du i otrzymujemy dx x+u następujące równanie różniczkowe o zmiennych rozdzielonych du du x+u=f(u) dx f(u) u =dx x Rozwiązanie równania du f(u) u =dx x wiąże ze sobą zmienneuix. Aby uzyskać końcowe rozwiązanie należy podstawić u= y x. Równania różniczkowe str. 29/49

Przykład równania różniczkowego jednorodnego Rozważmy równaniey = x+y x. Wówczasy =1+ y x. Stosując podstawienieu(x)= y x, otrzymujemy i x u =1 du= dx x du= dx x u=ln x +C y=x ln x +Cx. Równania różniczkowe str. 30/49

Równanie różniczkowe postaciy =f(ax+by+c) Niecha,b,c Rib 0orazf będzie funkcją ciągłą. Równanie dy dx =f(ax+by+c) rozwiązujemy przez podst.: u=ax+by+c, gdzieu=u(x) jest nową funkcją niewiadomą zmiennejx. Wtedy du dx =a+bdy dx dy ( ) du dx =1 b dx a i otrzymujemy: du dx =b f(u)+a du a+bf(u) =dx du a+bf(u) = dx Równania różniczkowe str. 31/49

Równanie różniczkowe postaciy =f(ax+by+c) Niecha,b,c Rib 0orazf będzie funkcją ciągłą. Równanie dy dx =f(ax+by+c) rozwiązujemy przez podst.: u=ax+by+c, gdzieu=u(x) jest nową funkcją niewiadomą zmiennejx. Wtedy du dx =a+bdy dx dy ( ) du dx =1 b dx a i otrzymujemy: Rozwiązanie du dx =b f(u)+a {}}{ równania wiąże ze sobą zmienneuix. du a+bf(u) = Aby uzyskać końcowe rozwiązanie należy podstawić u = ax + by + c. dx Równania różniczkowe str. 31/49

Przykład Rozważmy równanie y =cos(x y). Stosując podstawienie u(x) = x y, otrzymujemy u =1 cosu du 1 cosu =dx. Ponieważ1 cosu=2 sin 2u 2, więc du 2 sin 2u 2 = dx ctg u 2 =x+c. Zatem ctg x y =x+c, dlac R iy x 2kπ. Ponadto, jeśli 2 y=x 2kπ, toy =1 icos(x y)=cos2kπ=1. Zatem y = x 2kπ jest również całką rozważanego równania. Równania różniczkowe str. 32/49

Równania różniczkowe liniowe rzędu I-ego Równaniem różniczkowym liniowym rzędu pierwszego nazywamy równanie postaci: dy dx +p(x)y=q(x), (5) gdziep,q są danymi funkcjami ciągłymi w pewnym przedziale (a,b). Jeśliq 0, to równanie (5) nazywamy jednorodnym i oznaczamy RJ. Jeśliq 0, to to równanie (5) nazywamy niejednorodnym i oznaczamy RN Równania różniczkowe str. 33/49

Rozwiazanie równania różniczkowego liniowego I-szego rzędu Aby wyznaczyć rozwiązanie RN szukamy najpierw rozwiązań odpowiadającego mu RJ: dy dx +p(x)y=0 (RJ) funkcjay 0jest rozwiązaniem RJ jeśliy 0, to otrzymujemy równanie o zmiennych rozdzielonych dy dx = p(x)y Równania różniczkowe str. 34/49

Rozdzielając zmienne dy y = p(x)dx, Równania różniczkowe str. 35/49

Rozdzielając zmienne gdziec 0, dy y = dy y = p(x)dx, całkując p(x)dx ln y = p(x)dx+ln C, Równania różniczkowe str. 35/49

Rozdzielając zmienne dy y = dy y = p(x)dx, całkując p(x)dx ln y = gdziec 0, i przekształcając otrzymujemy kolejno y C =e p(x)dx p(x)dx+ln C, y = C e p(x)dx y=c e p(x)dx,c 0 Jednakże jeślic=0, to otrzymujemy wcześniej wyznaczone rozwiązaniey=0. Zatem Całką Ogólną Równania Jednorodnego (ozn. CORJ) jest y=c e p(x)dx, dlac R. Równania różniczkowe str. 35/49

Twierdzenie. Jeślipjest funkcją ciągła na przedziale(a,b) R, to y=c e p(x)dx, dlac R. jest całką ogólną RJ, ponadto przez każdy punkt obszaru D={(x,y):x (a,b),y R} przechodzi dokładnie jedna krzywa całkowa tego równania. Uwaga: Całka ogólna RJ zawiera wszystkie krzywe całkowe RJ. Równania różniczkowe str. 36/49

Aby wyznaczyć CORN (Całkę Ogólną Równania Niejednorodnego) stosujemy jedną z dwóch metod. 1 CORJ Metoda I Metoda II 2 CORN Równania różniczkowe str. 37/49

Metoda I: Metoda uzmienniania stałej StałąC zastępujemy taką funkcjąc(x), aby y=c(x) e p(x)dx ( ) było CORN. Wtedy stąd dy dx =C (x) e p(x)dx +C(x) e p(x)dx ( p(x)) y {}}{ C (x) e p(x)dx C(x) p(x) e p(x)dx +p(x) y {}}{ C(x) e p(x)dx =q(x) Równania różniczkowe str. 38/49

Metoda I: Metoda uzmienniania stałej StałąC zastępujemy taką funkcjąc(x), aby y=c(x) e p(x)dx ( ) było CORN. Wtedy stąd dy dx =C (x) e p(x)dx +C(x) e p(x)dx ( p(x)) y {}}{ y C (x) e {}}{ p(x)dx C(x) p(x) e p(x)dx +p(x) C(x) e p(x)dx =q(x) Równania różniczkowe str. 38/49

Metoda I: Metoda uzmienniania stałej Zatem C (x)=q(x) e p(x)dx i C(x)= q(x) e p(x)dx dx+c 1, gdziec 1 R. Po podstawieniuc(x) doy=c(x) e p(x)dx otrzymujemy CORN: y(x)= ( q(x) e p(x)dx dx+c 1 ) e p(x)dx y(x)=c 1 e p(x)dx +e p(x)dx ( q(x) e p(x)dx dx ). Równania różniczkowe str. 39/49

Twierdzenie. Jeślip,q są funkcjami ciągłymi na przedziale(a,b) R, to y(x)=c 1 e p(x)dx +e p(x)dx ( ) p(x)dx q(x) e dx, dlac 1 R, jest CORN, ponadto przez każdy punkt obszaru D={(x,y):x (a,b),y R} przechodzi dokładnie jedna krzywa całkowa tego równania. Równania różniczkowe str. 40/49

Twierdzenie. Niech y(x) CORJ, y s (x) CSRN = Całka Szczególna RN. Wtedy CORN = CORJ+CSRN, tzn. CORN = y(x)+y s (x). Równania różniczkowe str. 41/49

Przykład Rozważmy równaniey +2xy=x e x2. Szukamy rozwiązań RJ: y +2xy=0 dy dx = 2xy rozdzielając zmienne gdziec 0. dy y = dy y = 2xdx, całkując 2xdx ln y = x 2 +ln C, Równania różniczkowe str. 42/49

Przykład y +2xy=x e x2 (RN) (c.d.) Przekształcajac otrzymujemy kolejno ln y =lne x2 +ln C y = C e x2 StałąC zastępujemy taką funkcjąc(x), aby y=c e x2. y=c(x) e x2 ( ) było CORN. Wtedy y =C (x) e x2 +C(x) e x2 ( 2x) Równania różniczkowe str. 43/49

Przykład y +2xy=x e x2 (RN) (c.d.) Ponieważ y =C (x) e x2 2xC(x) e x2, więc y {}}{ C (x) e x2 2x C(x) e x2 +2x y {}}{ C(x) e x2 =x e x2 Równania różniczkowe str. 44/49

Przykład y +2xy=x e x2 (RN) (c.d.) Ponieważ y =C (x) e x2 2xC(x) e x2, więc y {}}{ y {}}{ C (x) e x2 2x C(x) e x2 +2x C(x) e x2 =x e x2 Zatem C (x) e x2 =x e x2 C (x)=x i C(x)= xdx+c 1 = 1 2 x2 +C 1, gdziec 1 R. Równania różniczkowe str. 44/49

Przykład y +2xy=x e x2 (RN) (c.d.) PodstawiającC(x)= 1 2 x2 +C 1 doy=c(x) e x2 otrzymujemy CORN: y(x)= ( ) 1 2 x2 +C 1 e x2 y(x)=c 1 e x2 + 1 2 x2 e x2. Równania różniczkowe str. 45/49

Przykład y +2xy=x e x2 (RN) (c.d.) PodstawiającC(x)= 1 2 x2 +C 1 doy=c(x) e x2 otrzymujemy CORN: y(x)= ( ) 1 2 x2 +C 1 e x2 y(x)=c 1 e x2 }{{} CORJ + 1 x2 x2 e 2 }{{} CSRN. Równania różniczkowe str. 45/49

Metoda II: Metoda przewidywania Polega na odgadnięciu CSRN, gdy dana jest CORJ, i wtedy na podstawie twierdzenia: Metodę stosujemy, gdy p(x)=const CORN = CORJ + CSRN. wielomian stopnian q(x)= asinωx+bcosωx ae λx, lubq(x) jest sumą lub iloczynem powyższych funkcji. Równania różniczkowe str. 46/49

Metoda przewidywania Przewidywanie postaci całki szczególnejy s (x) równania (RN) y +py=q(x), p R Postaćq(x) Postać przewidywanay s (x) P n (x)= p 0 A n x n +...+A 1 x+a 0 =a n x n +...+a 1 x+a 0 p=0 x(a n x n +...+A 1 x+a 0 ) a e λx λ p Ae λx λ= p Axe λx P n (x) e λx λ p (A n x n +...+A 0 )e λx λ= p x(a n x n +...+A 0 )e λx acosωx+bsinωx Acosωx+Bsinωx P n (x)cosωx+q m (x)sinωx, nm W n (x)cosωx+m n (x)sinωx P n (x)e λx cosωx+q m (x)e λx sinωx, nm W n (x)e λx cosωx+m n (x)e λx sinωx gdziew n (x)=a n x n +...+A 0 im n (x)=b n x n +...+B 0 Równania różniczkowe str. 47/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 Równania różniczkowe str. 48/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C Równania różniczkowe str. 48/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y +3y=x e x Równania różniczkowe str. 48/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y +3y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x Równania różniczkowe str. 48/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y +3y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +3y=x e 3x Równania różniczkowe str. 48/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y +3y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +3y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x Równania różniczkowe str. 48/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y +3y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +3y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 3 5 y=sinx Równania różniczkowe str. 48/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y +3y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +3y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 3 5 y=sinx = y s(x)=asinx+bcosx Równania różniczkowe str. 48/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y +3y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +3y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 3 5 y=sinx = y s(x)=asinx+bcosx y 3 5 y=e 3 5 x sinx Równania różniczkowe str. 48/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y +3y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +3y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 3 5 y=sinx = y s(x)=asinx+bcosx y 3 5 y=e 3 5 x sinx y s (x)=ae 3 5 x sinx+be 3 5 x cosx Równania różniczkowe str. 48/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y +3y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +3y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 3 5 y=sinx = y s(x)=asinx+bcosx y 3 5 y=e 3 5 x sinx y s (x)=ae 3 5 x sinx+be 3 5 x cosx y 2y=e 2x Równania różniczkowe str. 48/49

Przykłady y +3y=x 2 +8 = y s (x)=ax 2 +Bx+C y +3y=x e x = y s (x)=(ax+b) e x y +3y=x e 3x = y s (x)=x (Ax+B) e 3x y 3 5 y=sinx = y s(x)=asinx+bcosx y 3 5 y=e 3 5 x sinx y s (x)=ae 3 5 x sinx+be 3 5 x cosx y 2y=e 2x = y s (x)=axe 2x Równania różniczkowe str. 48/49

Podsumowanie Całki ogólne i szczególne równań różniczkowych zwyczajnych. Zagadnienie Cauchy ego (zagadnienie początkowe). Równania różniczkowe o zmiennych rozdzielonych i równania sprowadzane do tych równań. Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego. Metody rozwiązywania równań różniczkowych rzędu pierwszego. Równania różniczkowe str. 49/49