Задачи приводящие к дифференциальным уравнениям кратко

Задачи, приводящие к дифференциальным уравнениям

Электронная лекция на тему:

«Задачи, приводящие к дифференциальным уравнениям

Дифференциальные уравнения с разделяющими переменными

Общие и частные решения»

Студентка: Мирошина Виктория

Преподаватель: Литвинова И.А.

Рекомендуемые файлы

Дифференциа́льное уравне́ние — уравнение, связывающее значение некоторой неизвестной функции в некоторой точке и значение её производных различных порядков в той же точке. Дифференциальное уравнение содержит в своей записи неизвестную функцию, ее производные и независимые переменные; однако не любое уравнение, содержащее производные неизвестной функции, является дифференциальным уравнением. Например, не является дифференциальным уравнением. Стоит также отметить, что дифференциальное уравнение может вообще не содержать неизвестную функцию, некоторые её производные и свободные переменные, но обязано содержать хотя бы одну из производных.

Порядок, или степень дифференциального уравнения — наибольший порядок производных, входящих в него.

Решением (интегралом) дифференциального уравнения порядка n называется функцияy(x), имеющая на некотором интервале (a, b) производные y‘(x),y»(x). y (n) (x) до порядка nвключительно и удовлетворяющая этому уравнению. Процесс решения дифференциального уравнения называется интегрированием. Вопрос об интегрировании дифференциального уравнения считается решенным, если нахождение неизвестной функции удается привести к квадратуре, независимо от того, выражается ли полученный интеграл в конечном виде или нет.

Все дифференциальные уравнения можно разделить на обыкновенные (ОДУ), в которые входят только функции (и их производные) от одного аргумента, и уравнения с частными производными (УРЧП), в которых входящие функции зависят от многих переменных. Существуют также стохастические дифференциальные уравнения (СДУ), включающие случайные процессы.

Первоначально дифференциальные уравнения возникли из задач механики, в которых участвовали координаты тел, их скорости и ускорения, рассматриваемые как функции времени.

Обыкновенные дифференциальные уравнения

Обыкновенные дифференциальные уравнения (ОДУ) — это уравнения вида

или ,

где — неизвестная функция (возможно, вектор-функция; в таком случае часто говорят о системе дифференциальных уравнений), зависящая от независимой переменной , штрих означает дифференцирование по . Число называется порядком дифференциального уравнения.

Дифференциальные уравнения в частных производных

Дифференциальные уравнения в частных производных (УРЧП) — это уравнения, содержащие неизвестные функции от нескольких переменных и их частные производные. Общий вид таких уравнений можно представить в виде:

,

где — независимые переменные, а — функция этих переменных.

y» + 9y = 0 — однородное дифференциальное уравнение второго порядка. Решением является семейство функций y = (C₁cos(3x) + C₂sin(3x)), где C₁ и C₂ — произвольные константы.

Второй закон Ньютона можно записать в форме дифференциального уравнения , где m — масса тела, x — его координата, F(x,t) — сила, действующее на тело с координатой x в момент времени t. Его решением является траектория движения тела под действием указанной силы.

Колебание струны задается уравнением , где u = u(x,t) — отклонение струны в точке с координатой x в момент времени t, параметр a задает свойства струны. Это так называемое волновое уравнение.

Частное решение дифференциального уравнения

Частным решением дифференциального уравнения на интервале называется каждая функция y(x), которая при подстановке в уравнение вида

обращает его в верное тождество на интервале .

Зная общее решениеоднородного дифференциального уравнения и любое частное решение неоднородного уравнения, можно получить общее решение неоднородного уравнения в виде суммы общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного.

Общее решение дифференциального уравнения

Общее решение дифференциального уравнения — функция наиболее общего вида, которая при подстановке в дифференциальное уравнение вида

обращает его в тождество.

Если каждое решение дифференциального уравнения представимо в виде:

где — конкретные числа, то функция вида

при всех допустимых значениях параметров (неопределённых констант) называется общим решением дифференциального уравнения.

Пусть y(x) — некоторая функция, y‘(x) — ее производная. Для удобства будем записывать производную виде , имеющем смысл отношения бесконечно малых приращений — дифференциалов. Дифференциал dx — приращение значения переменной в окрестности x, стремящееся к нулю. Дифференциал функции dy — малое приращение функции, dy = f(x + dx) − f(x) = y‘(x)dx. Пусть f(x) и g(y) — некоторые функции от x и y. Рассмотрим уравнение

.

Уравнение такого вида называется обыкновенным дифференциальным уравнением с разделяющимися переменными. Умножим его на :

.

Последнее равенство означает, что малые приращения левой и правой частей равны. Поэтому их суммы также равны. Предположим что при x = x₀y = y₀ и возьмем интегралы от левой и правой частей. Пределы интегрирования — от y₀ до y для левой части и от x₀ для x для правой части уравнения:

.

Решая получившееся в результате интегрирования алгебраическое уравнение, мы можем выразить y(x).

Значения x₀ и y₀ называются начальными условиями. В случае других начальных условий решение уравнения будет отличаться на постоянную. Поэтому, если начальные условия не даны, можно взять первообразные левой и правой частей и прибавить к ним константу. Используя неопределенный интеграл — обозначение множества первообразных — , где F(x) — первообразная f(x), C — произвольная постоянная, запишем это в виде

.

Следует отметить, что у дифференциального уравнения с разделяющимися переменными могут существовать так называемые нулевые решения — постоянные y, удовлетворяющие уравнению g(y) = 0. При них равны нулю как правая, так и левая части дифференциального уравнения (поскольку производная константы равна нулю).

Решить дифференциальное уравнение .

.

Т. к. начальные условия не заданы, возьмем неопределенный интеграл от обеих частей уравнения:

,

.

Осталось лишь выразить y через x:

.

Найдем также нулевые решения:

.

Ответ:.

Определить максимальную скорость, которую может развить ракета в космосе. Начальная скорость ракеты равна нулю. Масса ракеты без топлива равна m, с топливом — m₀. Скорость выброса топлива относительно ракеты равна u. Ракета движется вдали от звезд и планет.

Пусть ракета движется вдоль оси Ox (Рис. 1). В некоторый момент от нее отделяется малая масса топлива ( − dm). При этом скорость ракеты увеличивается на dv. Запишем закон сохранения импульса в проекции на Ox:

Раскрыв скобки и приведя подобные, получим:

Величина dvdm — произведение двух бесконечно малых величин. Поэтому ею можно пренебречь:

,

,

,

.

Впервые эта формула была получена К. Э. Циолковским.

Ответ:.

Пружина жесткостью k с прикрепленным к ней грузом массой m находятся в горизонтальной плоскости в положении равновесия, совпадающем с началом координат. Свободный конец пружины закреплен. Пружина параллельна оси Ox. В начальный момент времени грузу сообщают скорость v₀ вдоль Ox. Найти зависимость координаты груза от времени.

В произвольный момент времени координата груза равна x, скорость — v (Рис. 2). Запишем закон сохранения энергии:

.

Выполним следующие преобразования:

,

,

.

Введя обозначение и записав скорость в виде , получим дифференциальное уравнения с разделяющимися переменными:

.

Для этого выполним замену . Тогда . Выразим дифференциал dx: , . Теперь интегрируем:

«2.3 Кривые Безье» — тут тоже много полезного для Вас.

. Подставляя в уравнение, имеем:

,

,

.

Движения, происходящие по закону синуса или косинуса называются гармоническими колебаниями. Рассмотренная система называется пружинным маятником. Видно, что в нашем случае максимальный модуль координаты равен . Он часто обозначается буковой A и называется амплитудой колебаний. Амплитуда гармонических колебаний всегда определяется начальными условиями.

Ответ:

Задачи, приводящие к дифференциальным уравнениям. Дифференциальные уравнения первого порядка.
презентация к уроку на тему

Презентация к занятию по дисциплине ЕН.02 Математика по теме «Задачи, приводящие к дифференциальным уравнениям. Дифференциальные уравнения первого порядка».

Скачать:

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

Дифференциальные уравнения первого порядка

Диф. уравнение первого порядка Уравнение вида F(x, y, y′) = 0 называется ДУ первого порядка, где х — независимая переменная y — неизвестная функция у ′ — ее производная

Если из уравнения можно выразить у ′ , то оно примет вид: Это уравнение называется ДУ первого порядка , решенным относительно первой производной Например:

Решением ДУ первого порядка у ‘=f( х, y ) называется функция у = φ ( х) , определенная на ( a,b) , которая при подстановке ее в уравнение обращает его в тождество.

Поле направлений Уравнение y′ = f (x, y) в каждой точке (x, y) плоскости Oxy задает направление интегральной кривой. Говорят, что задается поле направлений. Решить уравнение означает найти семейство кривых.

Постановка задачи Коши Задача нахождения решения дифференциального уравнения: y′ = f (x, y) удовлетворяющего начальному условию: y(x 0 ) = y 0, где х0 и у0 — заданные числа, называется задачей Коши для уравнения первого порядка.

Геометрический смысл Решить задачу Коши y′ = f (x, y) y( х0) = у0 означает найти интегральную кривую дифференциального уравнения , проходящую через заданную точку M0 ( x0, y0).

Уравнение с разделяющимися переменными ДУ, в котором путем преобразований переменные могут быть разделены, называется ДУ с разделяющимися переменными. Его можно представить в виде: dy /dx = f (x) * g( y) или M(x)N( y)dx + P(x)Q( y)dy = 0

Однородные дифференциальные уравнения Уравнение называется однородным диф. уравнением первого порядка, если оно имеет вид: f(x , y )dx+g(x,y)dy= g(x) где f(x, y ) и g(x, y ) – однородные функции одного измерения

Функция f(x, y) называется однородной измерения m , если f(ux, uy)= u^m f(x, y)

Линейные дифференциальные уравнения Уравнение называется линейным диф. уравнением первого порядка, если оно имеет вид: y′ + f (x) ⋅ y = g(x) где f(x) и g(x) – некоторые непрерывные функции переменной x.

Если функция g(x) тождественно равна нулю, уравнение называется линейным однородным, в противном – линейным неоднородным. Линейные дифференциальные уравнения

Метод вариации постоянной 1. В методе вариации постоянной сначала находится решение однородного уравнения: y′ + f (x) ⋅ y = 0 2. Затем полагают постоянную C новой неизвестной функцией от x: C = C(x) и находят общее решение неоднородного уравнения: y′ + f (x) ⋅ y = g(x)

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Методическая разработка практического занятия для студента «Дифференциальные уравнения»

Методическая разработка практического занятия для студента «Дифференциальные уравнения».

Учебно-методическое пособие для студентов первого курса средних профессиональных учебных заведений по теме «Решение показательных уравнений».

Данное методическое пособие охватывает материал по теме: «Решение показательных уравнений». При решении задач по предложенной теме студенту необходимо владеть комплексом умений, а также новыми знаниям.

Методическая разработка занятия по предмету Элементы высшей математики по теме: «Определение обыкновенных дифференциальных уравнений. Общее и частное решение. Уравнения с разделенными переменными».

Определение обыкновенных дифференциальных уравнений. Общее и частное решение. Уравнения с разделенными переменными.Тип занятия: комбинированный, с элементами игры.Формы занятия: индивидуальная, группо.

Контрольная работа «Решение дифференциальных уравнений»

Решение дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными

Решение дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными.

Решение дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными. Методическая разработка.

Решение дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными. Методическая разработка.

Лекция. Дифференциальные уравнения второго порядка

Лекция «Дифференциальные уравнения второго порядка» по дисциплине «Элементы высшей математики» для студентов 2 курса специальности «Компьютерные системы и комплексы».