Задачи, приводящие к обыкновенным дифференциальным уравнениям (ОДУ).
К понятию обыкновенного дифференциального уравнения приводят физические и геометрические задачи.
Физическая задача. Найти закон движения материальной точки под действием силы тяжести.
Решение нетривиальной задачи нахождения траектории тела по известным проекциям ускорения.
Уравнение, описывающее свободные колебания материальной точки в среде без сопротивления является ОДУ и может быть записано в виде:
2. Определение ОДУ. Порядок ОДУ. Задача Коши для уравнения n -ого порядка. Общие и частные решения.
Дифференциальным уравнением называется уравнение, связывающее независимую переменную , искомую функцию и ее производные , т.е. уравнение вида
Порядком дифференциального уравнения называется порядок наивысшей производной, входящей в уравнение.
Задача Коши для любого дифференциального уравнения n -го порядка
.
Общим решением ДУ называется ф – ия , зависящая от одной произвольной постоянной С.
Частным решением ДУ называется решение, получаемое из общего решения при каком – либо определенном значении С.
Геометрический смысл уравнения 1-ого порядка. ОДУ 1-ого порядка, его геометрический смысл. Изоклины.
Общий вид ДУ 1 – ого порядка: . => . Уравнение в каждой точке области D, в которой задана функция , определяет - угловой коэффициент касательной к решению, проходящему через точку , т.е. направление, в котором проходит решение через эту точку. (Геом. смысл)
Задачи построения интегральной кривой часто решают методом введения изоклин. Изоклиной называется геометрическое место точек, в которых касательные к искомым интегральным кривым имеют одно и то же направление.
4. Теорема Коши существования и единственности решения ОДУ 1-ого порядка, разрешённого относительно производной. ОДУ с разделяющимися переменными.
Пусть дано ДУ , где функция определена в некоторой области D плоскости , содержащей точку . Если удовлетворяет условиям:
А) – непрерывная ф-я 2 – х переменных в области D.
Б) имеет частную производную ограниченную в D, то найдется интервал , на котором существует единственное решение данного уравнения, удовлетворяющее условию .
Уравнение, в котором коэф – ты при дифференциалах распадаются на множители, зависящие только от , называется ур – ем с разделяющимися переменными. Общий интеграл такого ур – ия имеет вид:
Однородные ОДУ 1-ого порядка. Приведение их к уравнениям с разделяющимися переменными.
Функция называется однородной ф – ией своих аргументов измерения n, если справедливо тождество .
Путем замены однородное ОДУ 1 – ого порядка приводится к ур – ию с разделяющимися переменными.
6. Уравнения вида: y’ = f [ (a1x + b1y + c1) / (a2x + b2y +c2) ].
если , то ур – ие однородное и решается с помощью замены . Если хоть одно с отлично от нуля, то ур – ие приводится к однородному.
Если , то вводим новые переменные ,
Если , то , тогда исходное ур – ие имеет вид:
, с помощью подстановки приводим его к ур – ию с разделяющимися переменными.