Реферат по предмету "Математика"


Диференціальні рівняння першого порядку,

Реферат на тему:

Диференціальні рівняння першого порядку,

не розв’язані відносно похідної.

1. Основні поняття і означення, теорема про достатні умови існування і єдності розв’язку.

Диференціальне рівняння першого порядку, не розв’язані відносно похідної має вигляд

/>(5.1)

Найбільш часто зусрічаються диференціальні рівняння першого порядку />-ої степені.

Означення 5.1.Функція />, визначена і

/>(5.2)

неперервнодиференційовна на />називається розв’язком Д.Р. (5.1), якщо вона після підстановки перетворює Д.Р. (5.1) в

тотожність

/>

Означення 5.2.Будемо говорити, що рівняння />визначає розв’язок Д.Р.(5.1) в нормальній формі, якщо воно визначає />як функцію />і вона являється розв’язком Д.Р.(5.1).

Означення 5.3.Рівняння />,/>,/>, визначає розв’язок Д.Р.(5.1) в параметричній формі, якщо

/>

Криві на ел./>, які відповідають розв’язкам, будемо називати />

Задача Коші — задача знаходження розв’язків, які задовільняють умови />.

Означення 5.4.Говорять, що задача Коші для Д.Р.(5.1) з початковими умовами /> має єдиний розв’язок, якшо через /> в достатньо малому околі її проходить стільки />, скільки напрямків поля визначає Д.Р. в цій точці. В противному – не єдиний розв’язок.

Теорема 5.1.(про існування і єдиність розв’язку задачі Коші).

Якщо функція /> задовільняє наступним умовам:

а) Являється визначеною і неперервною разом зі своїми ЧП в деякому замкненому околі т./>;

б)/>;

в)/>;

то Д.Р.(1) має єдиний розв’язок />, визначений і неперервно диференційовний в околі т />, задовільняючий умови />і такий, що />

► Без доведення ◄

Припустимо, що розв’язуючи Д.Р.(1) відносно />, ми знайдемо дійсні розв’язки

/>(5.3)

де />визначені в обл./>так, що маємо />Д.Р. першого порядку, розв’язаних відносно />. Припустимо, що в />точці />, напрямок поля, визначений кожним Д.Р. (5.3), різний. Так що />різних рівнянь не можуть дотикатися друг друга на />.

Нехай кожне Д.Р. (5.3) на />має загальний інтеграл

/>(5.4)

Означення 5.5.Сукупність інтегралів (5.4) будемо називати загальним інтегралом Д.Р. (5.1) в обл. />.

Інколи замвсть співвідношення (5.4) записують

/>(5.5)

Якщо поле на />не задовільняє сказаному вище, тобто існує хоча б одна точка />, в якій значення хоча б двох функцій />співпали, то />відповідаючі Д.Р. дотикаються друг друга в точці />. Тому крім />Д.Р. (5.3), будуть ще склеєні />. Всі вони будуть входити в (5.4) або (5.5).

В загальному випадку Д.Р. (5.1) не удається розв’язати відносно />в елементарних функціях. В цих випадках шукають однопараметричне сімейство />в вигляді

/>(5.6)

яке називається загальним інтегралом Д.Р. (5.1).

Якщо сімейство />задано в вигляді

/>(5.7)

то воно називається загальним розв’язком Д.Р. (5.1)

Зауважимо, що в (5.6) можуть входити і розв’язки Д.Р. виду (5.3), коли />-комплексні. Ми таких Д.Р. не будемо розглядати, тому відповідні їм розв’язки треба виключати.

Сімейство />, заданих в параметричному вигляді

/>(5.8)

будемо називати загальними розв’язками Д.Р. в параметричній формі.

Означення 5.6.Розв’язок />Д.Р. (5.1) будемо називати частинним розв’язком, якщо в кожній його точці задача Коші має єдиний розв’язок.

Означення 5.7.Розв’язок />називається особливим розв’язком, якщо в кожній його точці порушується єдинність розв’язку задачі Коші.

Аналогічно Д.Р., розв’язаним відносно />, Д.Р. (5.1) може мати розв’язки, які являються ні частинними, ні особливими.

Аналіз частинних і особливих розв’язків для цих рівнянь більш складний. Зауважимо, що в випадку (5.3) розв’язок />буде особливим, якщо буде особливим хоча б для одного з Д.Р. (5.3).

Приклад 5.1.

/>(5.9)

З (5.9) маємо: />

Тоді /> — загальний інтеграл.

або />. Цей загальний інтеграл є накладенням сімейств двох />(мал. 5.1).

/>

Розв’язок задачі Коші для Д.Р. (5.9) в кожній точці площіни />являється єдиним. В точці/>ми маємо два напрямки поля:/>; І через цю точку проходить два />

/>, якщо />(5.11)

і />, якщо />.

Розв’язки (10),(11) – частинні розв’язки. Особливих розв’язків немає.

2. Знаходження кривих, підозрілих на особливий розв’язок.

Припустимо, що Д.Р. (5.1) представлено в формі (5.3). При досліджені на особливий розв’язок рівнянь виду (5.3) ми прийшли до висновку, що ці розв’язки можливі на тих кривих, на яких />являється необмеженою. Але в переході від Д.Р. (5.1) до рівнянь (5.3) є недоцільність при визначені особливих розв’язків, так як />.

Дійсно, припустимо, що _____ похідні />, тоді

/>, звідки/>(5.12).

Припустимо, що />, тоді />буде необмеженою при умові

/>(5.13)

Таким чином, криві, підозрілі на особливий розв’язок будуть визначатися з системи

/>(5.14)

Розв’язок системи (5.14)

/>=0 (5.15)

дискримінантна крива. Якщо вона задовільняє Д.Р. (5.1) і в кожній точці порушується єдність, то це буде особливий розв’язок.

Приклад 5.2.

/>(5.16)

/>, />(5.17)

Співвідношення (5ю17) – дискримінантна крива рівняння (5.16). А на ній ми маємо не два а один напрямок поля />. В той же час – через неї може проходити не одна />.

5.3. Загальний метод введення параметра.
--PAGE_BREAK--Розглянемо Д.Р. (5.1). Припустимо, що воно допускає параметризацію
/>(5.18)

Так, що />при всіх значеннях параметрів />і />.

Використовуючи (5.18) і співвідношення />ми з Д.Р. (5.1) завжди зможемо привести до Д.Р., яке розв'язане Відносно похідної.

/>

Тому

/>

Візьмемо, наприклад, />за незалежну змінну, />– за залежну, тоді прийдемо до Д.Р.

/>(5.19)

Якщо

/>(5.20)

загальний розв'язок Д.Р. (5.19), то загальний розв'язок Д.Р. (5.1) можна отримати в параметричній формі.

/>(5.21)

Розглянемо деякі частинні випадки:
А. Д.Р., розв'язані віднлсносно шуканої функції. Це рівняння має вигляд
/>(5.22)

За параметри />і />можна взяти />і />. Позначимо />, тоді

/>(5.23)

Маємо

/>

Звідки

/>(5.24)

Нехай />– загальний розв'язок Д.Р. (5.24), тоді />– загальний розв'язок Д.Р. (5.22).

Д.Р. (5.24) може мати особливий розв'язок />, тоді Д.Р. (5.22) може мати особливий розв'язок />.

Б. Випадок, коли Д.Р. розв'язане відносно незалежної змінної.
Це рівняння має вигляд
/>(5.25)

Інтегрується воно аналогічно Д.Р. (5.22). Покладемо />. Тоді

/>

Використовуючи співвідношення />, отримаємо

/>(5.26)

Якщо />– загальний інтеграл Д.Р. (5.26), то

/>(5.27)

загальний інтеграл Д.Р. (5.25).

Якщо />– особливий рощзв'язок Д.Р.(5.26), то />-може бути особливим розв'язком Д.Р. (5.25).

Розглянемо тепер більш прості випадки, коли рівняння можна проінтегрувати.

В. Рівняння Лагранжа.

Це рівняння має вигляд

/>(5.28)

Воно інтегрується в квадратурах. Покладемо />. Тоді

/>(5.29)

З (5.29) маємо

/>(5.30)

Д.Р. (5.30) лінійне по />

/>(5.31)

Нехай />– розв'язок Д.Р. (5.31). Тоді загальний розв'язок рівняння Лагранжа запишемо в параметричній формі

/>(5.32)

Особливі розв'язки можуть бути там, де

/>(5.33)

тобто

/>(5.34),

де />– корені рівняння (5.33).Розв'язок (5.34) може бути частинним або особливим.

Г. Рівняння Клеро.

Це рівняння – частинний випадок рівняння Лагранжа, коли />.

/>(5.35)

Покладемо />, тоді

/>(5.36)

Використовуючи />, отримаємо

/>(5.37)

Рівняння (5.37) розпадається на два

/>(5.38)

Перше рівняння дає />, підставляючи яке в (5.35) будемо мати загальний розав’язок

/>(5.39)

Друге — />, разом з (5.35) утворює параметричні розв’язкі

/>(5.40)

Розв’язок (5.40) являється особливим, так як він співпадає з _______. Дійсно

/>

звідки

/>(5.41)

Дискримінантна крива (3.41) співпадає з розв’язком (3.40).

Приклад 5.3.

Розв’язати рівняння Лагранжа/>.

Покладемо />. Маємо />,/>

/>, />

Отримали лінійне рівняння

/>

Його розв’язок

/>(5.42)

/>(5.43)

загальний розв’язок нашого рівняння в параметричній формі. Або, виключаючи />:

/>(5.44)

Знайдемо ті розв’язки, яким відповідають

/>

Перший розв’язок – офівфісобливий, другий – частинний.

Приклад 5.4.

/>

Це рівняння Клеро. Його загальний розв’язок –

/>

Запишемо дискримінантну криву

/>

Звідки /> — особливий розв’язок, так як через цей розв’язок проходить ще розв’язок, який міститься в загальному при />.

4. Неповні рівняння.

а). Д.Р. які містять тільки похідну.

Це рівняння вигляду

/>(5.45)

Рівняння (5.45) може мати скінчену або нескінчену кількість дійсних розв’язків.

/>(5.46)

де />– деякі числа, задовільняючі функцію />.

Інтегруємо (5.46)

/>(5.47)

Так як />то

/>(5.48)

загальний інтеграл Д.Р. (5.45). Таким чином при таких припущеннях />Д.Р. (5.45) є системою прямих ліній, які можна записати у вигляді (5.48). При цьому в (5.48) можуть входити комплексні розв’язки Д.Р.

Приклад 5.5.

Розв’язати />.

Згідно (5.48) />– загальний інтеграл. Однак у нього крім дійсного розв’язку />, входять розв’язки комплексного Д.Р. />

б) Д.Р., які не містять шуканої функціїмають вигляд

/>(5.49)

Якщо (5.49) можна розв’язати відносно похідної

/>(5.50)

то

/>(5.51)

являється загальним інтегралом Д.Р. (5.49).

Якщо ж розв’язати відносно />не можна, а допускається параметризація

/>(5.52)

тобто

/>(5.53)

Тоді загальний розв’язок знаходять в параметричній формі

/>(5.54)

Якщо Д.Р. (5.49) має вигляд

/>(5.55)

тоді це рівняння легко параметризується />.В частинному випадку />. Загальний розв’язок запишеться в формі

/>(5.56)

Приклад 5.6.

Зайти загальний розв’язок рівняння />.

Вводимо параметризацію />.

/>, />, />

Маємо

/>

Загальний розв’язок в параметричній формі.

в) Д.Р., які не містятьнезалежної змінної.

Це рівняння вигляду

/>(5.57)

Якщо рівняння (5.57) розв’язане відносно />, тобто

/>(5.58)

то

/>(5.59)

Являється загальним інтегралом Д.Р. (5.57). Особливими розв’язками можуть бути криві />, де />– корені рівняння />(або />).

Якщо Д.Р. (5.57) не можна розв’язати відносно />, але воно допускає параметризацію

/>(5.60)

то

/>(5.61)

Загальний розв’язок Д.Р. (5.57) в параметричній формі.

Приклад 5.7.

Розв’язати />. Введемо параметризацію />.

/>

звідки

/>

зашальний розв’язок нашого рівняння.

г) Узагальнено однорідні рівняння.

Д.Р. назвемо узагальнено однорідним, якщо ліва частина являється однорідною функцією аргументів />, яким відповідають величини />-го, />-го і />виміру, тобто

/>(5.62)

Зробимо заміну

/>(5.63)

де />– нова незалежна змінна,/>– нова шукана функція. Маємо

/>

тобто />. З іншої сторони

/>(5.64)

Підставимо (5.63),(5.64) в Д.Р. (5.1)

/>

отримане рівняння

/>(5.65)

не містить незалежної змінної />.


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Внешнеэкономические связи Российской Федерации
Реферат "Входные барьеры" на рынок отрасли
Реферат Социология религии - традиции и новации
Реферат А. Маршалл – основоположник неоклассической экономической теории
Реферат Разработка вариантов инвестиционных проектов
Реферат Прогнозирование доходности хозяйственной деятельности предприятия: содержание, методы, алгоритмы
Реферат Финансовая политика РФ в современных условиях
Реферат Особливості впливу електричного струму на організм людини
Реферат Понятие "Эдипов комплекс" в философии З. Фрейда
Реферат Экономико-статистический анализ производительности и оплаты труда на предприятии
Реферат Естественная география
Реферат Разделение властей
Реферат Автостоп как способ путешествия
Реферат Huck Finn Essay Research Paper The Struggle
Реферат Источники внутренней информации в маркетинговых исследованиях