Багирова Севиндж Музаффар кызы Открытый урок на тему : Обыкновенные дифференциальные уравнения. ОДУ первого порядка. Уравнения с разделяющимися переменными Азербайджанский Государственный Аграрный Университет. Педагог кафедры Физики-Математики:

Обыкновенным дифференциальным уравнением называется уравнение, связывающее между собой значения независимой переменной x, неизвестной функции y = f(x) и её производных ( или дифференциалов ): Порядком уравнения называется максимальный порядок n входящей в него производной (или дифференциала). Пример: y (4) – y + x = 0 - уравнение четвёртого порядка. Функция y(x) называется решением (или интегралом) дифференциального уравнения если при подстановке ее в уравнение обращает его в тождество.

ОДУ первого порядка Обыкновенным дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение вида: где x - независимая переменная, y(x) - неизвестная функция Общее решение: Пример: общее решение:

Разделяют несколько типов (видов) обыкновенных дифференциальных уравнений: -Уравнения с разделяющимися переменными, -Однородные уравнения, -Линейные уравнения, -Уравнение в полных дифференциалах, -и т.д. Остановимся подробнее на каждом из этих типов уравнений.

Уравнения с разделёнными переменными. Так называются уравнения вида удовлетворяющее начальному условию f(x)dx + g(y)dy = 0, Интегрируя, получим - общий интеграл (общее решение) этого уравнения. Пример: - общее решение

Уравнения с разделяющимися переменными. Так называются уравнения вида Эти уравнения легко сводятся к уравнению с разделёнными переменными: Записываем уравнение в форме: затем делим на g(y) и умножаем на dx:. Это уравнение - с разделёнными переменными. Интегрируя, получим общий интеграл:

Выразим у из последнего выражения как функцию х, получим общее решение: Пример :

Уравнения с однородной правой частью. Так называются уравнения со специальным видом зависимости функции f(x, y) от своих аргументов: Это уравнение сводится к уравнению с разделяющимися переменными относительно новой неизвестной функции u(x) заменой: Подставляя в уравнение y = x·u, y = u + x·u, получим (это - уравнение с разделяющимися переменными), - это общий интеграл уравнения относительно переменных x, u

Пример : - общее решение уравнения

Окончательно, получим общее решение: Пример :

Линейные уравнения. ДУ первого порядка называется линейным, если неизвестная функция y(x) и её производная входят в уравнение в первой степени: здесь p(x), q(x) - непрерывные функции. Пример :

Для решения уравнения представим y(x) в виде произведения двух новых неизвестных функций u(x) и v(x): y(x) = u(x)v(x). Тогда и уравнение приводится к виду: или Это уравнение решаем в два этапа: сначала находим функцию v(x) как частное решение уравнения с разделяющимися переменными: затем находим u(x) из уравнения:

Отметим, решая уравнение на v(x) мы не вводим в это решение произвольную постоянную C, нам достаточно найти одну функцию v(x), обнуляющую слагаемое со скобками. Запоминать эту формулу не надо, лучше усвоить порядок действий и воспроизводить его при решении каждой задачи.

Пример : Решение: и общее решение уравнения.

Для нахождения частного решения, соответствующего начальным условиям (задача Коши), подставим в общее решение Решение задачи:

Уравнение в полных дифференциалах. Так называется уравнение вида (P(x, y), Q(x, y) - непрерывно дифференцируемы) в случае, если его левая часть является полным дифференциалом некоторой функции u(x, y), т.е. если существует такая функция u(x, y), что Необходимым и достаточным условием существования такой функции является условие: Если - уравнение в полных дифференциалах, то его правая часть равна 0, т.е. принимает вид du(x, y) = 0. На решении y(x) получим du(x, y(x)) = 0, следовательно, u(x,y(x)) = C, где C - произвольная постоянная. Соотношение u(x, y) = C и есть общее решение уравнения в полных дифференциалах. P(x, y) dx + Q(x, y) dy = 0.

Для нахождения функции u(x, y) решается система уравнений Из первого уравнения этой системы находим: с точностью до произвольной дифференцируемой по y функции (эта функция играет роль постоянной интегрирования; так как интегрирование ведётся по переменной x. Дифференцируем эту функцию по y и приравниваем выражению, стоящему во втором уравнении системы (т.е. ), получим дифференциальное уравнение из которого можно найти.

Пример: найти общее решение уравнения Убедимся, что это - уравнение в полных дифференциалах..

Задание: К какому типу относятся дифференциальные уравнения:

ОДУ высших порядков Обыкновенным дифференциальным уравнением называется уравнение, связывающее между собой значения независимой переменной x, неизвестной функции y = f(x) и её производных (или дифференциалов): Общим решением (общим интегралом) уравнения называется соотношение вида:

Некоторые типы уравнений, допускающие понижение порядка. Уравнение вида решается последовательным n -кратным интегрированием. Переобозначив постояные, общее решение запишем в виде : y = cos x + C 1 x 3 + C 2 x 2 + C 3 x + C 4. Пример :

Уравнение, не содержащее в явном виде неизвестную функцию и её младшие производные. Порядок уравнения вида F(x, y (k), y (k+1), y (k+2 ), …,y (n) ) = 0, не содержащего функции y(x) и (k – 1) младшую производную этой функции в явном виде, может быть понижен ровно на k единиц введением новой неизвестной функции z(x) = y (k) (x). Тогда уравнение примет вид т.е. будет уравнением (n – k)-го порядка. После нахождения z (x) последовательным интегрированием решается уравнение y (k) (x)= z(x).

Пример: Понизить порядок уравнения: Младшая производная, входящая в явной форме в уравнения, - вторая, поэтому делаем замену искомой функции: Тогда: и уравнение примет вид

Уравнение, не содержащее в явном виде независимую переменную x. Порядок уравнения не содержащего явно x, может быть понижен на 1 с помощью приёма, который заключается в том, что вводится новая функциональная зависимость от y: Пример: Понизить порядок уравнения: Переменная x явно в уравнение не входит, поэтому полагаем, тогда. Просто сократить на p это уравнение нельзя, так как можно потерять семейство решений поэтому рассматриваем два случая: