Обыкновенные дифференциальные уравнения
статья по алгебре на тему

1. НАЧАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ О ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЯХ

Дифференциальное уравнение – это соотношение вида

        (1)

Здесь:  - независимая переменная (аргумент),  – искомая функция этого аргумента,  – производные искомой функции. Левая часть равенства (1) является заданной функцией своих аргументов. В большинстве задач, которые возникают в естественных науках и технических приложениях, эта функция является непрерывной.

Порядок старшей производной, входящей в уравнение (1), называют порядком дифференциального уравнения. В естественных науках и технических приложениях чаще встречаются уравнения первого порядка

и уравнения второго порядка

Решить уравнение (1) – значит найти функцию, которая при подстановке в дифференциальное уравнение обращает последнее в тождество при всех допустимых значениях аргумента. Таких функций оказывается не одна, а целое семейство. При этом мы находим общее решение дифференциального уравнения. Это решение можно представить в виде

        (2)

Здесь  – произвольные постоянные интегрирования, число которых совпадает с порядком уравнения. Искомое семейство функций может быть также найдено в неявном виде:

        (3)

Равенство (3) определяет общий интеграл дифференциального уравнения.

Числовые значения констант интегрирования определяются, если наряду с уравнением (1) заданы начальные условия

        (4)

Число начальных условий должно равняться порядку уравнения. В начальных условиях могут быть заданы значения искомой функции, а также её производных, порядок которых меньше порядка дифференциального уравнения. Уравнение (1) вместе с начальными условиями (4) представляют собой задачу Коши (задачу с начальными условиями). При решении такой задачи сначала получается общее решение (2), затем на основании условий (4) составляется система уравнений относительно неизвестных . Решение этой системы  подставляется в общее решение (2). В результате получается частное решение уравнения (1), удовлетворяющее начальным условиям (4). Частное решение представляет собой определенную функцию аргумента . Эта функция может быть задана неявно. В этом случае получается частный интеграл дифференциального уравнения.

Вопросы существования и единственности решения задачи с начальными условиями рассмотрены в учебной литературе [1,2]. В рамках данных методических указаний заметим только, что в большинстве задач, связанных с инженерными приложениями, существуют решения, причем единственные.

Рассмотрим далее решения некоторых типовых задач.

2. ЛИНЕЙНЫЕ УРАВНЕНИЯ ПЕРВОГО ПОРЯДКА. МЕТОД ВАРИАЦИИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ПОСТОЯННОЙ

Пусть требуется для дифференциального уравнения вида

        (5)

найти решение, удовлетворяющее начальному условию

        (6)

Уравнение (5) содержит искомую функцию  и производную  в первой степени. Таким образом, уравнение (5) – линейное уравнение первого порядка. Наличие свободного слагаемого делает уравнение неоднородным.

Одним из методов отыскания общего решения уравнения (5) является метод вариации произвольной постоянной. Применение этого метода для решения задачи вида (5),(6) поясним следующим примером

Пример 1.

Требуется решить уравнение

        (7)

при начальном условии

        (8)

1. Рассмотрим соответствующее однородное уравнение

.

Это уравнение можно проинтегрировать, разделив переменные:

В результате получим

2. Используем полученное общее решение однородного уравнения. Будем искать общее решение данного неоднородного уравнения в виде

        (9)

Примечание: Подстановка на место постоянной  неизвестной функции  называется вариацией произвольной постоянной.

Подставляя выражение (9) в уравнение (7), получим:

Интегрируем полученное уравнение, разделив переменные:

Подставляя последнее выражение в равенство (9), получим:

        (10)

В формуле (10) общее решение неоднородного уравнения представлено как сумма двух слагаемых: первое совпадает с общим решением однородного уравнения, второе является частным решением неоднородного уравнения.

3. Определим числовое значение постоянной  из начального условия (8):

Тогда искомое решение задачи с начальным условием:

Для выработки навыков решения линейных уравнений первого порядка рекомендуется самостоятельно выполнить следующее задание.

Задание 1.

Найти решение задачи с начальным условием

3. ЛИНЕЙНЫЕ УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА

С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

Решение линейного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

может быть получено как сумма общего решения соответствующего однородного уравнения

и частного решения данного неоднородного уравнения. Чтобы найти общее решение однородного уравнения, определим корни  характеристического уравнения

и применим одну из стандартных формул:

                        если                ,

                        если                ,

        если                .

Частное решение рекомендуется построить методом неопределенных коэффициентов, ориентируясь по виду функции  в правой части уравнения. Наиболее распространенные случаи рассмотрены в учебном пособии [2]. Рассмотрим далее пример.

Пример 2.

Требуется найти общее решение дифференциального уравнения

        (11)

и частное решение, удовлетворяющее начальным условиям

        (12)

1. Составим и решим характеристическое уравнение:

Тогда

– общее решение однородного уравнения, соответствующего данному.

2. Исходя из вида правой части уравнения (11), будем искать частное решение этого уравнения в форме . Тогда:

Получили , следовательно, .

3. Общее решение данного неоднородного уравнения представим в виде

.

В результате получим общее решение:

        (13)

Дифференцируя выражение (13), находим:

Учитываем начальные условия (12):

Тогда

Получили частное решение, удовлетворяющее начальным условиям:

Для выработки навыков решения линейных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами рекомендуется самостоятельно выполнить следующее задание.

Задание 2.

Найти решение задачи с начальными условиям