Совет 1: Как определить тип дифференциального уравнения

В математике существует множество различных типов уравнений. Среди дифференциальных также различают несколько подвидов. Отличить их можно по ряду существенных признаков, характерных для той или иной группы.
Как определить тип дифференциального уравнения
Вам понадобится
  • - тетрадь;
  • - ручка
Инструкция
1
Если уравнение представлено в виде: dy/dx = q(x)/n(y), относите их к категории дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными. Их можно решить, записав условие в дифференциалах по следующей схеме: n(y)dy = q(x)dx. Затем проинтегрируйте обе части. В некоторых случаях решение записывается в виде интегралов, взятых от известных функций. К примеру, в случае dy/dx = x/y, получится q(x) = x, n(y) = y. Запишите его в виде ydy = xdx и проинтегрируйте. Должно получиться y^2 = x^2 + c.
2
К линейным уравнениям относите уравнения «первой степени». Неизвестная функция с ее производными входит в подобное уравнение лишь в первой степени. Линейное дифференциальное уравнение имеет вид dy/dx + f(x) = j(x), где f(x) и g(x) – функции, зависящие от x. Решение записывается с помощью интегралов, взятых от известных функций.
3
Учтите, что многие дифференциальные уравнения - это уравнения второго порядка (содержащие вторые производные) Таким, например, является уравнение простого гармонического движения, записанное в виде общей формулы: md 2x/dt 2 = –kx. Такие уравнения имеют, в основном, частные решения. Уравнение простого гармонического движения является примером достаточно важного класса: линейных дифференциальных уравнений, у которых имеется постоянный коэффициент.
4
Рассмотрите более общий пример (второго порядка): уравнение, где у и z – являются заданными постоянными, f(x) – заданная функция. Подобные уравнения можно решить разными способами, к примеру, при помощи интегрального преобразования. Это же самое можно сказать и про линейные уравнения более высоких порядков, имеющих постоянные коэффициенты.
5
Примите к сведению, что уравнения, которые содержат неизвестные функции, а также их производные, стоящие в степени выше первой, называются нелинейными. Решения нелинейных уравнений достаточно сложны и поэтому, для каждого из них используется свой частный случай.
Источники:
  • типы дифференциальных уравнений

Совет 2 : Как составить дифференциальное уравнение

Изучение курса дифференциального исчисления всегда начинается с составления дифференциальных уравнений. Прежде всего рассматривают несколько физических задач, при математическом решении которых неизбежно возникают производные различных порядков. Уравнения, которые содержат аргумент, искомую функцию и ее производные называют дифференциальными.
Как составить дифференциальное уравнение
Вам понадобится
  • - ручка;
  • - бумага.
Инструкция
1
В исходных физических задачах аргументом, чаще всего, является время t. Общий принцип составления дифференциального уравнения (ДУ) состоит в том, что на малых приращениях аргумента функции почти не меняются, что позволяет заменять приращения функции их дифференциалами. Если в постановке задачи речь зайдет о скорости изменения какого-либо параметра, то сразу следует писать производную параметра (со знаком минус, если некоторый параметр уменьшается).
2
Если в процессе рассуждений и выкладок возникли интегралы, их можно устранить дифференцированием. И наконец, в физических формулах производных и так более чем достаточно. Самое главное – рассмотреть как можно больше примеров, которые в процессе решения необходимо довести до стадии составления ДУ.
3
Пример 1. Как рассчитать изменение напряжения на выходе заданной интегрирующей RC – цепи, при заданном входном воздействии?

Решение. Пусть входное напряжение U(t), а искомое выходное u(t) (см. рис.1).
Входное напряжение состоит из суммы выходного u(t) и падения напряжения на сопротивления R - Ur(t).
U(t)=Ur(t)+Uc(t); по закону Ома Ur(t)=i(t)R, i(t)=C(dUc/dt). С другой стороны Uc(t)=u(t), а i(t) – ток цепи (в том числе и на емкости С). Значит i=C(du/dt), Ur=RC(du/dt). Тогда баланс напряжений в электрической цепи можно переписать в виде: U=RC(du/dt)+u. Разрешая это уравнение относительно первой производной, имеем:
u’(t)=-(1/RC)u(t)+(1/RC)U(t).
Это ДУ первого порядка. Решением задачи будет его общее решение (неоднозначное). Для получения однозначного решения надо задавать начальные условия (краевые) в виде u(0)=u0.
4
Пример 2. Найти уравнение гармонического осциллятора.

Решение. Гармонический осциллятор (колебательный контур) – основной элемент радиопередающих и радиоприемных устройств. Это замкнутая электрическая цепь, содержащая параллельно соединенные емкость С (конденсатор) и индуктивность L (катушка). Известно, что токи и напряжения на таких реактивных элементах связаны равенствами Iс=C(dUc/dt)=CU’c,
Ul=-L(dIl/dt)=-LI’l . Т.к. в этой задаче все напряжения и все токи одинаковы, то окончательно
I’’+(1/LC)I=0.
Получено ДУ второго порядка.
Видео по теме

Совет 3 : Как определить вид дифференциального уравнения

Определить вид дифференциального уравнения необходимо для того, чтобы подобрать соответствующий каждому случаю способ решения. Классификация видов довольно большая, а решение основывается на методах интегрирования.
Как определить вид дифференциального уравнения
Инструкция
1
Необходимость в дифференциальных уравнениях возникает тогда, когда известны свойства функции, а сама она остается неизвестной величиной. Часто такая ситуация возникает при исследовании физических процессов. Свойства функции описываются ее производными или дифференциалом, поэтому единственным способом ее нахождения является интегрирование. Прежде чем приступать к решению, нужно определить вид дифференциального уравнения.
2
Существует несколько видов дифференциальных уравнений, простейшим из них является выражение у’ = f(х), где у’ = dу/dх. Кроме того, к этому виду может быть приведено равенство f(х)•у’ = g(х), т.е. у’ = g(х)/f(х). Разумеется, это возможно только при условии, что f(х) не обращается в ноль. Пример: 3^х•у’ = х² – 1 → у’ = (х² - 1)/3^х.
3
Дифференциальные уравнения с разделенными переменными называются так потому, что производная у’ в данном случае буквально разделена на две составляющие dу и dх, которые находятся по разные стороны от знака равно. Это уравнения вида f(у)•dу = g(х)•dх. Пример: (у² – sin у)•dу = tg х/(х - 1)•dх.
4
Два описанных вида дифференциальных уравнений носят название обыкновенных или сокращенно ОДУ. Однако уравнения первого порядка могут быть и более сложными, неоднородными. Они называются ЛНДУ – линейные неоднородные уравнения у’ + f(х)•у = g(х).
К ЛНДУ относится, в частности, уравнение Бернулли у’ + f(х)•у = g(х)•у^a. Пример: 2•у’ – х²•у = (ln х/х³)•у². А также уравнение в полных дифференциалах f(х, у)dх + g(х, у)dу = 0, где ∂fх(х, у)/∂у = ∂gу(х, у)/∂х. Пример: (х³ – 2•х•у)dх – х²dу = 0, где х³ – 2•х•у – частная производная по х от функции ¼•х^4 – х²•у + C, а (–х²) – ее частная производная по у.
5
Простейшим видом ОДУ второго порядка является у’’ + p•у’ + q•у = 0, где p и q – постоянные коэффициенты. ЛНДУ второго порядка – это усложненная версия ОДУ, а именно у’’ + p•у’ + q•у = f(х). Пример: у’’ – 5•у’ + 13•у = sin х. Если p и q – функции аргумента х, то уравнение может выглядеть примерно так: у’’ – 5•х²•у’ + 13•(х - 1)•у = sin х.
6
Дифференциальные уравнения высших порядков подразделяются на три подвида: допускающие понижение порядка, уравнения с постоянными коэффициентами и с коэффициентами в виде функций аргумента х:

• Выражение f(х, у^(m), у^(m+1),…, у^(n)) = 0 не содержит производных ниже порядка m, значит, через замену z= у^(m) можно уменьшить порядок. Тогда уравнение преобразуется в вид f(х, z, z’,…, z^(n - m)) = 0. Пример: у’’’•х – 4•у² = у’ - 2 → z’’•х – 4•у² = z - 2, где z = у’ = dу/dх;
• ЛОДУ у^(k) + p_(k-1)•у^(k-1) + … + p1•у’ + p0•у = 0 и ЛНДУ у^(k) + p_(k-1)•у^(k-1) + … + p1•у’ + p0•у = f(х) с постоянными коэффициентами pi. Примеры: у^(3) + 2•у’’ – 15•у’ + 3•у = 0 и у^(3) + 2•у’’ – 15•у’ + 3•у = 2•х³ – ln х;
• ЛОДУ у^(k) + p(х)_(k-1)•у^(k-1) + … + p1(х)•у’ + p0(х)•у = 0 и ЛНДУ у^(k) + p(х)_(k-1)•у^(k-1) + … + p1(х)•у’ + p0(х)•у = f(х) с коэффициентами-функциями pi(х). Примеры: у’’’ + 2•х²•у’’ – 15•arсsin х•у’ + 9•х•у = 0 и у’’’ + 2•х²•у’’ – 15•arcsin х•у’ + 9•х•у = 2•х³ – ln х.
7
Вид конкретного дифференциального уравнения не всегда бывает очевидным. Тогда следует внимательно рассмотреть его на предмет приведения к одному из канонических типов, чтобы применить соответствующий способ решения. Сделать это можно разными методами, наиболее распространенными из них являются замена и разложение производной на составляющие у’ = dу/dх.
Совет полезен?
Поиск
Добавить комментарий к статье
Осталось символов: 500