Analiza matematyczna/Równania różniczkowe

Z testwiki
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Równania o zmiennych rozdzielonych

Przykład

Rozwiąż równanie różniczkowe y′=ex+y przy warunku początkowym y(0)=0.

dydx=ex⋅ey

e−ydy=exdx

∫e−ydy=∫exdx

−e−y=ex+C

Otrzymaliśmy zatem rodzinę rozwiązań danego równania różniczkowego (tzw. całkę ogólną). Znając warunek początkowy, wyznaczamy całkę szczególną tego równania, podstawiając do powyższego wyniku y(x=0)=0. Otrzymujemy wówczas równanie:

−e0=e0+C

−1=1+C

C=−2

Po podstawieniu otrzymanej wartości do całki ogólnej równania otrzymujemy:

−e−y=ex−2

e−y=2−ex

1ey=2−ex

ey=12−ex

Ostatecznie szczególnym rozwiązaniem danego równania jest funkcja:

y=ln⁡12−ex

Równania jednorodne

Równaniem jednorodnym nazywamy równanie postaci:

y′=f(yx)

Po zastosowaniu podstawienia u=yx daje się ono sprowadzić do postaci równania o zmiennych rozdzielonych x oraz u. Wówczas:

y=u(x)⋅x

Korzystając ze wzoru na pochodną iloczynu funkcji, otrzymujemy:

y′=u′x+u

Przykład

Równania liniowe

y′+P(x)y=Q(x) (*)

Q(x)=0 r. jednorodne

Q(x)≠0 r. niejednorodne

y′+P(x)y=0y≠0

y′=dy zamiana

dy=−P(x)ydx/:y

dy/y=−P(x)dx

ln⁡|y|=−∫P(x)+C1

ln⁡|y|=−∫P(x)+ln⁡|C2|C2=C

ln⁡|y|=ln⁡|C2/∫P(x)|

y=C(x)/−∫P(x) wstawiamy do (*) to są (**)
y′= wstawiamy do(*)
C′(x)=
C(x)=∫C′(x) wstawiamy do (**)
Y=C(x)/−∫P(x)

Równania liniowe jednorodne

Równania liniowe niejednorodne

Równanie Bernoullego

Ogólna postać równania Bernoullego to:

y′+p(x)⋅y=q(x)⋅yr

gdzie r∈ℝ, natomiast p(x) oraz q(x) – to dowolne funkcje rzeczywiste.

Po obustronnym podzieleniu równania przez yr otrzymujemy równanie postaci:

y′yr+p(x)⋅y1−r=q(x)

Po zastosowaniu podstawienia z=y1−r otrzymujemy równanie liniowe niejednorodne.

przykład

Szablon:RightBox

y′+xy=xy3

Równanie dzielimy obustronnie przez y3

y′y3+xy−2=x, gdzie y≠0

Szablon:Uwaga

oraz wykonujemy podstawienie dla równania Bernoullego, w wyniku czego otrzymujemy równanie liniowe niejednorodne o zmiennej niezależnej x oraz szukanej niewiadomej z(y(x)):

−12z′+xz=x

z′−2xz=−2x

Skojarzone równanie jednorodne ma postać:

z′−2xz=0

Jego rozwiązaniem ogólnym jest funkcja:

zoj=Cex2

Szukamy następnie rozwiązania szczególnego równania niejednorodnego:

zsn=C(x)ex2, gdzie ze wzoru na pochodną iloczynu funkcji oraz pochodną funkcji złożonej otrzymujemy także:

z'sn=C′(x)ex2+C(x)ex22x

Wyprowadzone powyżej zależności podstawiam do równania niejednorodnego:

C′(x)ex2+C(x)ex22x−2xC(x)ex2=−2x

W wyniku tej operacji C(x) powinno się zredukować. Jeżeli tak się nie stało, to oznacza, że gdzieś mógł się pojawić błąd obliczeniowy. Jeżeli wszytko obliczone jest poprawnie, powinniśmy otrzymać równanie:

C′(x)ex2=−2x

Szablon:RightBox

C(x)=e−x2

Zatem

zsn=e−x2⋅ex2=1

zon=zoj+zsn

zon=Cex2+1

Wracając do postaci sprzed podstawienia Bernoullego, otrzymujemy:

1y2=Cex2+1

Funkcja tożsamościowa y≡0 nieobejmowana przez powyższe rozwiązanie także spełnia wyjściowe równanie.

Równanie zupełne

P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0

Czynnik całkujący

Równanie niebędące równaniem zupełnym być może po pomnożeniu przez czynnik zależny od jednej ze zmiennych niezależnych x lub y będzie równaniem zupełnym. Wówczas otrzymamy:

P(x,y)μ(x)dx+Q(x,y)μ(x)dy=0

Wyprowadźmy zatem wzór na czynnik całkujący zależny od x. Spełnione ma być równanie postaci:

∂Pμ(x)∂y=∂Qμ(x)∂x

Po prawej stronie równania skorzystaliśmy z twierdzenia o pochodnej iloczynu funkcji. Po lewej stronie równania przed znak pochodnej cząstkowej wyłączono czynnik niezależny od zmiennej, po której liczymy pochodną:

μ(x)∂P∂y=∂Q∂xμ(x)+Qμ′(x)

μ(x)∂P∂y−μ(x)∂Q∂x=μ′(x)Q

μ(x)(∂P∂y−∂Q∂x)=μ′(x)Q

μ′(x)μ(x)=∂P∂y−∂Q∂xQ

Ostatecznie po obustronnym całkowaniu powyższego równania po zmiennej x szukany czynnik całkujący otrzymamy ze wzoru:

ln⁡|μ(x)|=∫∂P∂y−∂Q∂xQdx

Analogicznie znajdziemy wzór na czynnik całkujący zależny od zmiennej y.

ln⁡|μ(y)|=∫∂Q∂x−∂P∂yPdy

Równania wyższych rzędów

Równania II rzędu sprowadzane do równania I rzędu

Równania postaci y″=f(x,y,y′) możemy podzielić na dwie grupy równań. W zależności od typu równania, z jakim mamy do czynienia, przyjmiemy odpowiedni sposób rozwiązania.

Jawnie nie występuje zmienna zależna y

F(x,y′,y″)=0

Szablon:RightBox Rozpatrzmy przykładowe równanie y″=x(y′)2. Po zastosowaniu wskazanego podstawienia otrzymujemy równanie postaci u′=xu2 . Zmienna zależna y(x) została zastąpiona zmienną zależną u(x). Rola zmiennej niezależnej x nie zmieniła się. Otrzymujemy zatem równanie, którego ogólną postać zapiszemy jako:

F‾(x,u,u′)=0

Szukamy zatem rodziny funkcji u(x) zależnej od jednej stałej całkowania C, a następnie – wracając do pierwszego podstawienia – wyznaczamy wartość rodziny funkcji y(x) zależnej ostatecznie od dwóch stałych całkowania C oraz D.

jawnie nie występuje zmienna niezależna x

F(y,y′,y″)=0

Szablon:RightBox

W opisywanym przypadku po zastosowaniu przytoczonego obok podstawienia zmieni się rola zmiennej zależnej y(x), która w otrzymanym równaniu będzie zmienną niezależną. Natomiast pojawi się zmienna zależna u(y). Ostatecznie zatem otrzymamy równanie, którego ogólną postać możemy zapisać jako:

F‾(y,u,u′)=0

Przykład

y⋅y″=y3+(y′)2

Po podstawieniu otrzymujemy równanie postaci:

yu⋅u′=y3+u2

Szablon:RightBox

u′=y2u−1+1yu Jest ono równaniem Bernouliego o niewiadomej funkcji u(y). Zatem po zastosowaniu podstawienia Bernouliego otrzymamy równanie liniowe niejednorodne.

c.d.n.

Równanie n-tego rzędu o stałych współczynnikach

Metoda uzmienniania stałych na przykładzie

y″(x)−y(x)=exex+1

Najpierw rozwiązujemy jednorodne:

y″(x)−y(x)=0

Konstruujemy wielomian charakterystyczny

λ2−1=0

Stąd mamy rozwiązanie w postaci:

y=c1ex+c2e−x

Teraz uzmienniamy stałe

y=c1(x)ex+c2(x)e−x

Następnie tworzymy układ :

{c1′(x)ex+c2′(x)e−x=0c1′(x)ex−c2′(x)e−x=exex+1

Rozwiązujemy układ w celu wyznaczenia c1 i c2