Уравнения не содержащие независимой функции

Дифференциальные уравнения высших порядков, не содержащие переменную в явном виде

Метод решения

Рассмотрим уравнение, не содержащее независимую переменную в явном виде:
(1) .
Порядок этого уравнения понижается на единицу с помощью подстановки:

Далее считаем, что функция u зависит от переменной y , тогда:
;
;
и т. д.

В результате такой подстановки, порядок уравнения понижается на единицу.

Пример

Уравнение не содержит независимую переменную в явном виде. Делаем подстановку:
.
Считаем, что функция u зависит от переменной y . Тогда
.

Подставляем в исходное уравнение:
.
Делим на u . При имеем:
.
Это уравнение с разделяющимися переменными. Делим на и умножаем на dy . При имеем:
.
Интегрируем:
(2) .

Подставляем в (2):
.
Потенцируем:
.
Заменим постоянную интегрирования . Знак модуля сводится к умножению на ±1 . Включим ±1 в постоянную . То есть мы теперь полагаем, что может быть не только положительным, но и отрицательным числом. Тогда:
.

Выполняем преобразования:
;
.
При имеем:
;
.

Разделяем переменные:
.
Интегрируем:
(3) .

Вычисляем интеграл:

.
Подставляем в (3):
;
.
Возводим в квадрат и выполняем преобразования:
;
;
(4) .

При выводе формулы (4) мы предполагали, что
и .
Теперь рассмотрим случаи
.
Нетрудно видеть, что решение, охватывающее эти три равенства, есть
(5) ,
где C – произвольная постоянная. Тогда . Подставляя это в исходное уравнение нетрудно убедиться, что оно выполняется. Это особое решение. Добавим его в ответ.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 18-07-2013 Изменено: 27-06-2018

Уравнения, не содержащие явно независимой переменной

Определение уравнения в полных дифференциалах

Дифференциальное уравнение вида

называется уравнением в полных дифференциалах, если существует такая функция двух переменных u(x,y) с непрерывными частными производными, что справедливо выражение

Общее решение уравнения в полных дифференциалах определяется формулой

где C − произвольная постоянная.

Необходимое и достаточное условие

Пусть функции P(x,y) и Q(x,y) имеют непрерывные частные производные в некоторой области D. Дифференциальное уравнение P(x,y)dx + Q(x,y)dy = 0 будет являться уравнением в полных дифференциалах тогда и только тогда, если справедливо равенство:

42) Дифференциальные уравнения высших порядков. Уравнения, допускающие понижение порядка.

Обыкновенным дифференциальным уравнением n-го порядка называется уравнение вида
F(x, y,y‘, y», . y (n) ) = 0,
где F — известная функция (n+2) переменных, определенная в области DÌR n +2, x — независимая переменная из интервала (a, b), y =y(x) — неизвестная функция, n — порядок уравнения.

, (1)

где x — независимая переменная, y — искомая функция, а функция F определена и непрерывна в некоторой области и во всяком случае зависит от , называется обыкновенным дифференциальным уравнением n -го порядка.

Рассмотрим некоторые типы уравнений высших порядков, допускающие понижение порядка.

Уравнения, не содержащие искомой функции и нескольких последовательных производных.

Рассмотрим уравнения вида

. (2)

С помощью замены , где u — новая неизвестная функция, уравнение (2) приводится к уравнению (n-k) -го порядка:

.

Уравнения, не содержащие явно независимой переменной.

Рассмотрим уравнения вида

. (3)

С помощью замены (где p=p(y) — новая искомая функция независимая переменная) порядок уравнения (3) понижается на единицу, так как

,

,

.

Данная подстановка дает уравнение (n-1) — го порядка относительно новой неизвестной функции p:

.

При осуществлении такой замены возможна потеря решения y=const. Непосредственной подстановкой необходимо проверить наличие у уравнения (3) решений такого вида.

43) Линейные однородные дифференциальные уравнения высших порядков с постоянными коэффициентами.

Линейным однородным уравнением -го порядка с постоянными коэффициентами называется уравнение вида

(1)

где коэффициенты – некоторые действительные числа. Для нахождения частных решении уравнения (1) составляют характеристическое уравнение

(2)

которое получается из уравнения (1) заменой в нем производных искомой функции соответствующими степенями k, причем сама функция заменяется единицей. Уравнение (2) является уравнением n степени и имеет n корней.

Тогда общее решение дифференциального уравнения (1) строится в зависимости от характера корней уравнения (2):

1.каждому действительному простому корню k в общем решении соответствует слагаемое вида ;

2.каждому действительному корню кратности в общем решении соответствует слагаемое вида ;

3.каждой паре комплексных сопряженных простых корней и в общем решении соответствует слагаемое вида

4.каждой паре комплексных сопряженных корней и кратности в общем решении соответствует слагаемое вида

51) Ряд Тейлора. Разложение некоторых элементарных функций в ряд Тейлора.

Ряд Тейлора

Основные разложения в ряд Тейлора

53)Ряд Лорана — двусторонне бесконечный степенной ряд по целым степеням , то есть ряд вида

Этот ряд понимается как сумма двух рядов:

1. — положительная часть ряда Лорана (иногда называется правильной) и

2. — отрицательная часть ряда Лорана (иногда называется главной).

При этом ряд Лорана считается сходящимся тогда и только тогда, когда сходятся его правильная и главная части. Область сходимости ряда по положительным степеням разложения функции в ряд есть сфера радиуса сходимости

. В области этой сферы лежит и область сходимости ряда по изолированному направлению делителей нуля. Если R=0, то ряд сходится только в точке a, если , то ряд сходится во всем пространстве Y.

Ряд по отрицательным степеням разложения функции сходится в сфере сходимости >r. Если r

50) Функциональные ряды в комплексной области

Понятия последовательности функций комплексной переменной (сокр. ФКП), ФР ФКП и его поточечной сходимости вводятся аналогично этим понятиям в действительной области. Область определения, область сходимости строятся на –плоскости.

Степенным рядом с комплексными членами называется ряд вида

где a0, a1, a2, …, an, — постоянные комплексные числа (коэффициенты ряда), z0 — фиксированное комплексное число (центр круга сходимости).

Теорема Абеля. Если степенной ряд сходится в точке z1 ≠ z0, то он абсолютно сходится в любой точке круга | z — z0| | z2 — z0| (т.е. находящейся дальше от точки z0, чем z2).

Из теоремы Абеля следует существование такого неотрицательного действительного числа R, что ряд абсолютно сходится в любой внутренней точке круга радиуса R с центром в точке z0, и расходится в любой точке вне этого круга. Число R называется радиусом сходимости, круг — кругом сходимости. В точках границы этого круга — окружности | z — z0| = R радиуса R с центром в точке z0 — ряд может и сходиться, и расходиться.

44) Линейные неоднородные дифференциальные уравнения высших порядков с постоянными коэффициентами.

Называется уравнение вида:

(1)

Где а1, а2, …, аn постоянные действительные числа.

Решение этого уравнения можно записать в виде:

Y= ,

А частное решение можно найти с помощью метода вариаций.

Если правая часть имеет специальный вид, то частное решение можно найти методом “подбора”. Общий вид правой части уравнения (1) при котором можно применять метод подбора следующий:

F(x)= ,

Где Pn и Qm многочлены.

Рассмотрим некоторые частные случаи:

1)F(x)=Pn(x), =0 если число совпадает с корнями характеристического ур-ния и S- число совпадений, то говорят что есть резонанс в степени S.

Если нет резонанса, то частное решение ищем в виде:

, где — многочлен n-ой степени с неопределёнными коэффициентами.

представляя данное решение в исходное уравнение.

, то частное решение ищем в виде :

f(x)=Pn(x) ,

если нет резонанса:

f(x) = Pn(x)cos +Qn(x)sin ,

Если нет резонанса, то:

cos + , k=max[n,m];

( cos + ;

Если правая часть представляет собой сумму выражений специального вида, то находим несколько частных решений и их складываем.

46) Функции комплексной переменной. Предел и непрерывность функции комплексной переменной.

Если каждой точке z = х + iy некоторого множества Е поставленно в со­ответствие одно или несколько комплексных чисел w = и + iv, то говорят, что на множестве Е определена функция (однозначная или многозначная) комплексного переменного w = f(z).

Функцию f(z) можно рассматривать как пару функций и<х,у) и v

Предел и непрерывность функции комплексной переменной:

Число А называется ó(

Функция f(z) называется неприрывной в точке z0 , если предел f(z) z стремится к z0 =f(z0) .

Дифференциальные уравнения, приводимые к уравнениям первого порядка

Вы будете перенаправлены на Автор24

Дифференциальные уравнения второго порядка, в которых правая часть не зависит от неизвестной функции и её производной

Таким дифференциальным уравнением второго порядка является уравнение вида $y»=f\left(x\right)$. В нем правая часть не зависит от неизвестной функции $y$ и её производной $y’$, а зависит только от $x$. Решается это уравнение последовательным интегрированием.

Представим его в таком виде: $\frac \left(y’\right)=f\left(x\right)$, откуда $d\left(y’\right)=f\left(x\right)\cdot dx$.

Интегрируем первый раз, используя то свойство, что неопределенный интеграл от дифференциала некоторой функции равен сумме этой функции и произвольной постоянной: $\int d\left(y’\right) =\int f\left(x\right)\cdot dx $ или $y’=\int f\left(x\right)\cdot dx +C_ <1>$, где $C_ <1>$ — произвольная постоянная.

Таким образом, дифференциальное уравнение второго порядка сведено теперь к дифференциальному уравнению первого порядка, которое можно представить в таком виде: $dy=\left(\int f\left(x\right)\cdot dx +C_ <1>\right)\cdot dx$.

Интегрируем полученное дифференциальное уравнение повторно: $y=\int \left(\int f\left(x\right)\cdot dx +C_ <1>\right)\cdot dx =\int \left(\int f\left(x\right)\cdot dx \right)\cdot dx +\int C_ <1>\cdot dx$. Окончательно получаем:$y=\int \left(\int f\left(x\right)\cdot dx \right)\cdot dx +C_ <1>\cdot x+C_ <2>$, где $C_ <2>$ — произвольная постоянная.

Процесс интегрирования завершен. Получена неизвестная функция $y$, которая является общим решением данного дифференциального уравнения второго порядка.

Алгоритм решения дифференциального уравнения второго порядка $y»=f\left(x\right)$ может быть представлен в следующем виде:

1. находим интеграл $I_ <1>\left(x\right)=\int f\left(x\right)\cdot dx $ и записываем первую производную искомой функции в виде $y’\left(x,C_ <1>\right)=I_ <1>\left(x\right)+C_ <1>$;
2. находим интеграл $I_ <2>\left(x\right)=\int I_ <1>\left(x\right)\cdot dx $ и записываем окончательно общее решение данного дифференциального уравнения: $y=I_ <2>\left(x\right)+C_ <1>\cdot x+C_ <2>$;
3. для поиска частного решения начальные условия подставляем в выражение для первой производной $y’$, а также в общее решение; в результате находим значения произвольных постоянных $C_ <1>$ и $C_ <2>$.

Готовые работы на аналогичную тему

Найти общее решение дифференциального уравнения второго порядка $y»=4$. Записать также его частное решение, которое удовлетворяет начальным условиям $y=1$ при $x=1$, $y’=1$ при $x=1$.

В данном дифференциальном уравнении правая часть не зависит ни от неизвестной функции $y$, ни от её производной $y’$. Следовательно, оно решается последовательным интегрированием два раза подряд.

Находим интеграл $I_ <1>\left(x\right)=\int f\left(x\right)\cdot dx =\int 4\cdot dx =4\cdot x$. Записываем выражение для первой производной в виде $y’\left(x,C_ <1>\right)=I_ <1>\left(x\right)+C_ <1>$, то есть $y’=4\cdot x+C_ <1>$.

Находим интеграл $I_ <2>\left(x\right)=\int I_ <1>\left(x\right)\cdot dx =\int 4\cdot x\cdot dx =2\cdot x^ <2>$. Записываем окончательно общее решение в виде $y=I_ <2>\left(x\right)+C_ <1>\cdot x+C_ <2>$. Получаем: $y=2\cdot x^ <2>+C_ <1>\cdot x+C_ <2>$.

Ищем частное решение. Подставляем начальное условие $y’=1$ при $x=1$ в выражение для $y’$: $1=4\cdot 1+C_ <1>$, откуда $C_ <1>=-3$. Подставляем начальное условие $y=1$ при $x=1$ в выражение для $y$: $1=2\cdot 1^ <2>+\left(-3\right)\cdot 1+C_ <2>$, откуда $C_ <2>=2$. Таким образом, частное решение имеет вид: $y=2\cdot x^ <2>-3\cdot x+2$.

Дифференциальные уравнения второго порядка, не содержащие неизвестной функции

Указанные дифференциальные уравнения второго порядка допускают понижение порядка посредством замены переменных. После этого к полученным дифференциальным уравнениям первого порядка могут быть применены известные методы решения.

Дифференциальное уравнение второго порядка, не содержащее неизвестной функции $y$, имеет вид $y»=f\left(x,y’\right)$.

Для его решения применяют замену $y’=z\left(x\right)$.

При этом $y»=z’\left(x\right)$. После подстановки данное дифференциальное уравнение приобретает вид дифференциального уравнения первого порядка относительно $z$, то есть $z’=f\left(x,z\right)$. Решая его, находим $z\left(x\right)=\phi \left(x,C_ <1>\right)$.

В свою очередь, поскольку $y’=z\left(x\right)$, то $y’=\phi \left(x,C_ <1>\right)$. Это также дифференциальное уравнение первого порядка, которое допускает непосредственное интегрирование. Следовательно, интегрируя еще раз, окончательно получаем общее решение $y=\int \phi \left(x,C_ <1>\right)\cdot dx +C_ <2>$.

Алгоритм решения дифференциального уравнения второго порядка $y»=f\left(x,y’\right)$ может быть представлен в следующем виде:

1. переписываем данное дифференциальное уравнение в виде дифференциального уравнения первого порядка относительно переменной $z$, формально заменив $y»$ на $z’$, а $y’$ — на $z$;
2. полученное дифференциальное уравнение первого порядка решаем одним из подходящих известных методов;
3. найденное решение $z=\phi \left(x,C_ <1>\right)$ представляем в виде дифференциального уравнения первого порядка $y’=\phi \left(x,C_ <1>\right)$, которое допускает непосредственное интегрирование;
4. находим интеграл $I=\int \phi \left(x,C_ <1>\right)\cdot dx $ и получаем общее решение в виде $y=I+C_ <2>$.

Найти общее решение дифференциального уравнения$y»-\frac =3\cdot x$.

Данное дифференциальное уравнение не содержит неизвестной функции $y$, поэтому переписываем его в виде дифференциального уравнения первого порядка относительно переменной $z$, формально заменив $y»$ на $z’$, а $y’$ — на $z$. Получаем: $z’-\frac =3\cdot x$.

Это дифференциальное уравнение первого порядка является линейным неоднородным, решая которое известным методом, получаем $z=\left(3\cdot x+C_ <1>\right)\cdot x$.

Найденное решение представляем в виде дифференциального уравнения первого порядка $y’=\phi \left(x,C_ <1>\right)$, то есть $y’=\left(3\cdot x+C_ <1>\right)\cdot x$. Это дифференциальное уравнение допускает непосредственное интегрирование.

Находим интеграл $I=\int \phi \left(x,C_ <1>\right)\cdot dx =\int \left(3\cdot x+C_ <1>\right)\cdot x\cdot dx =x^ <3>+C_ <1>\cdot \frac > <2>$ и получаем общее решение в виде $y=I+C_ <2>=x^ <3>+C_ <1>\cdot \frac > <2>+C_ <2>$. Это общее решение можно представить также в виде $y=x^ <3>+C_ <1>\cdot x^ <2>+C_ <2>$.

Дифференциальные уравнения второго порядка, не содержащие независимой переменной

Указанные дифференциальные уравнения второго порядка также допускают понижение порядка посредством замены переменных. После этого к полученным дифференциальным уравнениям первого порядка могут быть применены известные методы решения.

Дифференциальное уравнение второго порядка, не содержащее независимой переменной $x$, имеет вид $y»=f\left(y,y’\right)$.

Для его решения применяют замену $y’=z\left(y\right)$.

Подставляем выражения для $y’$ и $y»$ в данное дифференциальное уравнение: $z\cdot \frac =f\left(y,z\right)$. Получили дифференциальное уравнение первого порядка относительно переменной $z$, которая является функцией $y$. Решая его, находим $z\left(y\right)=\phi \left(y,C_ <1>\right)$.

В свою очередь, поскольку $\frac =z\left(y\right)$, то $\frac =\phi \left(y,C_ <1>\right)$. Полученное дифференциальное уравнение представляет собой дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными, общее решение которого можно найти из выражения $\int \frac <\phi \left(y,C_<1>\right)> =x+C_ <2>$.

Алгоритм решения дифференциального уравнения второго порядка $y»=f\left(y,y’\right)$ может быть представлен в следующем виде:

1. переписываем данное дифференциальное уравнение в виде дифференциального уравнения первого порядка относительно переменной $z$, формально заменив $y»$ на $z\cdot z’$, а $y’$ — на $z$;
2. полученное дифференциальное уравнение первого порядка решаем одним из подходящих известных методов;
3. найденное решение $z=\phi \left(y,C_ <1>\right)$ представляем в виде дифференциального уравнения первого порядка $\frac=\phi \left(y,C_ <1>\right)$, которое является дифференциальным уравнением с разделяющимися переменными;
4. находим интеграл $I=\int \frac<\phi \left(y,C_<1>\right)> $ и получаем общее решение в виде $I=x+C_ <2>$.