Уравнения приводящиеся к линейным дифференциальным уравнениям первого порядка

Дифференциальные уравнения первого порядка, приводящиеся к линейным

Метод решения

К линейным уравнениям первого порядка приводится уравнения вида:
(1) ,
где z – функция от y ; p и q – функции от x .
Действительно, по правилу дифференцирования сложной функции:
.
Подставляя в (1), получаем уравнение, линейное относительно z :
.

Дифференциальные уравнения, линейные относительно переменной x

Ранее мы рассматривали уравнения, линейные относительно переменной y . То есть мы считали, что x является независимой переменной, а y является зависимой переменной. Однако, всегда стоит иметь в виду, что возможен противоположный подход. То есть можно считать переменную y независимой переменной, а x – зависимой переменной. На практике часто встречаются задачи, в которых уравнение линейно относительно переменной x , а не y . В общем виде такое уравнение можно записать так:
(2) ,
где P, Q, R –функции от y .

Покажем, что это уравнение линейно относительно переменной x . Для этого выполняем преобразования. Представим производную в виде отношения дифференциалов:
.
Тогда уравнение (2) примет вид:
.
Умножаем на и выполняем алгебраические преобразования:
;
.
Разделив на R ( y ) , приводим уравнение к виду:
,
где .
Это – линейное относительно x дифференциальное уравнение.

Пример решения дифференциального уравнения, приводящегося к линейному уравнению первого порядка

Решить уравнение:
(П.1) .

Подставим в (П.1):
.
Считаем, что y – это независимая переменная, а x – зависимая. То есть x – это функция от y . Умножим на :
(П.2) .
Делаем подстановку:
.
Здесь z – сложная функция от y , .
Дифференцируем по y . По правилу дифференцирования сложной функции:
.
Подставляем в (П.2):
;
.
Это линейное, относительно z , дифференциальное уравнение. Решаем его с помощью интегрирующего множителя. Умножаем уравнение на интегрирующий множитель e y :
;
;
.
Интегрируем по частям:

;

;
;
.
Переходим к переменной x :
;
.

Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 05-08-2012 Изменено: 26-06-2015

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 $I=x+C_ <2>$.

Линейные уравнения первого порядка

Назначение сервиса . Онлайн калькулятор можно использовать для проверки решения однородных и неоднородных линейных дифференциальных уравнений вида y’+y=b(x) .

• Решение онлайн
• Видеоинструкция

Теорема. Пусть a₁(x) , a₀(x) , b(x) непрерывны на отрезке [α,β], a₁≠0 для ∀x∈[α,β]. Тогда для любой точки (x₀, y₀), x₀∈[α,β], существует единственное решение уравнения, удовлетворяющее условию y(x₀) = y₀ и определенное на всем интервале [α,β].
Рассмотрим однородное линейное дифференциальное уравнение a₁(x)y’+a₀(x)y=0 .
Разделяя переменные, получаем , или, интегрируя обе части, Последнее соотношение, с учетом обозначения exp(x) = e x , записывается в форме

Попытаемся теперь найти решение уравнения в указанном виде, в котором вместо константы C подставлена функция C(x) то есть в виде

Подставив это решение в исходное, после необходимых преобразований получаем Интегрируя последнее, имеем

где C₁— некоторая новая константа. Подставляя полученное выражение для C(x), окончательно получаем решение исходного линейного уравнения
.

Описанный метод решения называется методом Лагранжа или методом вариации произвольной постоянной (см. также Метод вариации произвольной постоянной решения линейных неоднородных уравнений).

Пример . Решить уравнение y’ + 2y = 4x . Рассмотрим соответствующее однородное уравнение y’ + 2y = 0 . Решая его, получаем y = Ce -2 x . Ищем теперь решение исходного уравнения в виде y = C(x)e -2 x . Подставляя y и y’ = C'(x)e -2 x — 2C(x)e -2 x в исходное уравнение, имеем C'(x) = 4xe 2 x , откуда C(x) = 2xe 2 x — e 2 x + C₁ и y(x) = (2xe 2 x — e 2 x + C₁)e -2 x = 2x — 1 + C₁e -2 x — общее решение исходного уравнения. В этом решении y₁(x) = 2x-1 — движение объекта под действием силы b(x) = 4x, y₂(x) = C₁e -2 x -собственное движение объекта.

Пример №2 . Найти общее решение дифференциального уравнения первого порядка y’+3 y tan(3x)=2 cos(3x)/sin 2 2x.
Это неоднородное уравнение. Сделаем замену переменных: y=u•v, y’ = u’v + uv’.
3u v tg(3x)+u v’+u’ v = 2cos(3x)/sin 2 2x или u(3v tg(3x)+v’) + u’ v= 2cos(3x)/sin 2 2x
Решение состоит из двух этапов:
1. u(3v tg(3x)+v’) = 0
2. u’v = 2cos(3x)/sin 2 2x
1. Приравниваем u=0, находим решение для 3v tg(3x)+v’ = 0
Представим в виде: v’ = -3v tg(3x)

Интегирируя, получаем:

ln(v) = ln(cos(3x))
v = cos(3x)
2. Зная v, Находим u из условия: u’v = 2cos(3x)/sin 2 2x
u’ cos(3x) = 2cos(3x)/sin 2 2x
u’ = 2/sin 2 2x
Интегирируя, получаем:
Из условия y=u•v, получаем:
y = u•v = (C-cos(2x)/sin(2x)) cos(3x) или y = C cos(3x)-cos(2x) ctg(3x)