Как найти интегральную кривую проходящую через точку

В дальнейшем эту функцию будем называть искомой функцией. Процесс нахождения решения ОДУ называется интегрированием дифференциального уравнения.

Определение 1. Задача, в которой требуется найти решение дифференциального уравнения F(x, y, y)= 0 или y′ = f (x, y), удовлетворяющее начальному условию y(x0 )= y0 , называется

задачей Коши.

Теорема существования и единственности решения

задачи Коши.

Пусть дано дифференциальное

уравнение

y′ = f (x, y), где

функция f (x, y)

определена в

некоторой

области D плоскости Oxy , содержащей точку (x0 , y0 ). Если функция f (x, y) удовлетворяет условиям:

1)f (x, y) есть непрерывная функция двух переменных x

иy в области D;

2)f (x, y) имеет частную производную fy , ограниченную

в области D,

тогда найдется интервал (x0 h,x0 + h), на котором существует

единственное

решение

y = ϕ(x)

данного

уравнения,

удовлетворяющее условию ϕ(x0 )= y0 .

Доказательство теоремы в данном курсе опускается ввиду сложности. С ним можно ознакомиться в монографии [8].

Определение 2. Функция y = ϕ(x,C), где C — произвольная

постоянная, называется общим решением

уравнения

F(x, y, y)= 0 , если

1) она является решением этого уравнения

при любых

допустимых значениях произвольной постоянной C ;

2) каково бы ни было начальное условие y(x0 )= y0 , где точка (x0 , y0 ) принадлежит области, в которой выполняются

10

условия существования и единственности решения задачи Коши, можно подобрать такое единственное значение C0 постоянной

C , что ϕ(x0 ,C0 )= y0 .

Определение 3. Функция Φ(x, y,C)= 0 называется общим

интегралом уравнения, если она задает общее решение уравнения в неявном виде.

Определение 4. Решение, в каждой точке которого нарушается единственность решения задачи Коши, называется особым решением.

Определение 5. Решение, полученное из общего при некотором допустимом значении произвольной постоянной, называется частным решением.

Замечание. Частное решение может быть получено из общего решения при некотором значении константы C . Особое решение не может быть получено из общего ни при каком значении произвольной постоянной C .

Пример 1. Найти интегральную кривую дифференциального

уравнения y′ = 2x , проходящую через точку M (1;1).

Решение. Общим решением уравнения является функция

вида y = x2 +C ,

где C

— произвольная константа.

Действительно, y′ = 2x , отсюда y = 2xdx = x2 +C .

Функции y = x2 ,

y = x2 +1 ,

y = x2 + 2 , полученные из

общего решения при конкретных значениях C , являются частными решениями данного уравнения.

Построив графики решения при различных значениях C , получим бесконечное множество непересекающихся интегральных кривых, которое будем называть семейством интегральных кривых (рис. 2).

11

y

1 M

1 x

Рис. 2. Интегральные кривые уравнения

Построим

интегральную кривую, проходящую через точку

M (1;1). Для этого требуется решить задачу Коши с начальным

условием y(1)=1.

Подставим

значения

x0 =1, y0

=1 в

общее

решение.

Полученное

равенство

1 =1 +C

решим

относительно

произвольной

постоянной

C , получим

C = 0 .

Таким

образом,

решением поставленной задачи Коши является функция

y = x2 .

На

рис. 2. это интегральная кривая,

проходящая

через точку

M

(1;1), ее график выделен жирной линией.

Данное

уравнение не

имеет особых решений,

так как

f (x, y)= 2x

непрерывная

функция

и частная

производная

f

= 0 ограничена.

y

Пример 2. Построить интегральные кривые уравнение y′=2 y . Решение. Данное уравнение можно записать в виде

1

y или x

1

x= 2

= 2 y .

Найдем для f (x, y)= 2

y

производную

f

=

(2 y )

=

1 .

y

y

y

12

y(x0 )= 0 , то

При y = 0 нарушается условие теоремы о существовании и единственности решения задачи Коши. Уравнение может иметь особое решение вида y = 0 .

Общим решение данного дифференциального уравнения является x = y +C . Заметим, что при этом преобразовании мы

могли потерять решение y = 0 .

Частным решением уравнения являются функции

x = y при

C = 0 , x = y +1 при C =1 и т.д. Семейство

интегральных

кривых показано на рис. 3.

Рассмотрим функцию y = 0 . Она является решением исходного

уравнения, которое не может быть получено из общего ни при каких значениях произвольной постоянной. Следовательно, это особое решение, в каждой точке такого решения нарушается единственность задачи Коши.

Действительно, если задать начальное условие

поставленная задача Коши будет иметь два решения. Одно получится из общего решения. Если в формуле общего решения

положить x = x0 , y = 0 , то C = x0 и решением задачи Коши

является функция x = y + x0 .

Это решение проходит через точку

(x0 ,0).

Вторым решением, проходящим через эту точку, является

функция

y = 0 . Таким образом,

в каждой точке решения y = 0

нарушается единственность задачи Коши. Такое решение является особым.

y = 0

Рис. 3.

13

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Дифференциальное уравнение первого порядка

y'=f(x,y)

(1)

определяет в каждой точке (x,y), где существует функция f(x,y), значение y', т.е. угловой коэффициент касательной к интегральной кривой в этой точке.

Если в каждой точке области D задано значение некоторой величины, то говорят, что в области D задано поле этой величины. Таким образом, дифференциальное уравнение (1) определяет поле направлений.

Тройка чисел (x;y;y') определяет направление прямой, проходящей через точку (x,y). Совокупность отрезков этих прямых дает геометрическую картину поля направлений.

Задача интегрирования дифференциального уравнения (1) может быть теперь истолкована так: найти такую кривую, чтобы касательная к ней в каждой точке имела направление, совпадающее с направлением поля в этой точке.

Задача построения интегральной кривой часто решается введением изоклин. Изоклиной называется геометрическое место точек, в которых касательные к искомым интегральным кривым имеют одно и тоже направление. Семейство изоклин дифференциального уравнения (1) определяется уравнением

f(x,y)=k,

(2)

где k — параметр. Придавая параметру k близкие числовые значения, получаем достаточно густую сеть изоклин, с помощью которых можно приближенно построить интегральные кривые дифференциального yравнения (1).

Замечание 1. Нулевая изоклина f(x,y)=0 дает уравнение линий, на которых могут находиться точки максимума и минимума интегральных кривых.

Для большей точности построения интегральных кривых находят также геометрическое место точек перегиба. Для этого находят y'' в силу уравнения (1):

y''=frac{partial f}{partial x}+frac{partial f}{partial y}y'=frac{partial f}{partial x}+f(x,y)frac{partial f}{partial y}

(3)

и приравнивают ее нулю. Линия, определяемая уравнением

frac{partial f}{partial x}+f(x,y)frac{partial f}{partial y}=0,

(4)

и есть возможное геометрическое место точек перегиба.


Пример 1. С помощью изоклин построить приближенно интегральные кривые дифференциального уравнения y'=2x-y.

Решение. Для получения уравнения изоклин положим y'=text{const}=k, тогда 2x-y=k или y=2x-k.

Семейство интегральных кривых дифференциального уравнения

Изоклинами являются параллельные прямые. При k=0 получим изоклину 2x. Эта прямая делит плоскость xOy на две части, в каждой из которых производная y'имеет один и тот же знак (рис. 6).

Интегральные кривые, пересекая прямую y=2x, переходят из области убывания функции y в область возрастания, и наоборот, а значит на этой прямой находятся точки экстремума интегральных кривых, именно точки минимума.

Возьмем еще две изоклины: y=2x+1,~k=-1 и y=2x-1,~k=1.

Касательные, проведенные к интегральным кривым в точках пересечения с изоклинами k=-1 и k=1, образуют с осью Ox углы в 135^circ и 45^circ соответственно. Найдем далее вторую производную y''=2-y'=2-2x+y.

Прямая y=2x-2, на которой y''=0, является изоклиной, получаемой при k=2, и в то же время интегральной линией, в чем можно убедиться подстановкой в уравнение. Так как правая часть данного уравнения f(x,y)=2x-y удовлетворяет условиям теоремы существования и единственности во всей плоскости xOy, то остальные интегральные кривые не пересекают эту изоклину. Изоклина y=2x, на которой находятся точки минимума интегральных кривых, расположена над изоклиной y=2x-2, а поэтому интегральные кривые, проходящие ниже изоклины y=2x-2, не имеют точек экстремума.

Прямая y=2x-2 делит плоскость xOy на две части, в одной из которых (расположенной над прямой) y''>0, а значит интегральные кривые обращены вогнутостью вверх, а в другой y''<0 и, значит, интегральные кривые обращены вогнутостью вниз. Интегральные кривые не пересекают прямой y=2x-2, значит, она не является геометрическим местом точек перегиба. Интегральные кривые данного уравнения не имеют точек перегиба.

Проведенное исследование позволяет нам приближенно построить семейство интегральных кривых уравнения (рис.6).


Пример 2. Методом изоклин построить приближенно интегральные кривые дифференциального уравнения y'=sin(x+y).

Решение. Полагая y'=k, где k=text{const}, получаем уравнение изоклин sin(x+y)=k, причем -1 leqslant k leqslant 1. При k=0 получим sin(x+y)=0, откуда

y=-x+pi n, quad ninmathbb{Z}.

(5)

Интегральные кривые в точках пересечения с этими изоклинами имеют горизонтальные касательные.

Определим, имеют ли интегральные кривые на изоклинах y=-x+pi{n} экстремум. Для этого найдем вторую производную:

y''=(1+y')cos(x+y)=[1+sin(x+y)]cos(x+y).

При y=-x+pi{n} имеем

{y''=(1+sinpi{n})cospi{n}=(-1)^n=begin{cases}~1,&!text{if}~~n~~text{is even},\-1,&!text{if}~~n~~text{is odd}.end{cases}}

Если n четное, то y''>0, и, значит, в точках пересечения с изоклинами y=-x+pi{n}, интегральные кривые имеют минимум; если же n нечетное, то y''<0 и интегральные кривые в точках пересечения с изоклинами имеют максимум. Находим изоклины:

k=-1, quad sin(x+y)=-1; quad y=-x-frac{pi}{2}+2pi n,~ninmathbb{Z};

(6)

k=1, quad sin(x+y)=1; quad y=-x+frac{pi}{2}+2pi n,~ninmathbb{Z}.

(7)

Изоклинами являются параллельные прямыми с угловым коэффициентом, равным –1 , т. е. изоклины пересекают ось Ox под углом 135^circ. Легко убедиться в том, что изоклины y=-x-frac{pi}{2}+2pi{n},~ninmathbb{Z}, являются интегральными кривыми данного дифференциального уравнения (для этого достаточно подставить функции y=-x-frac{pi}{2}+2pi{n} в уравнение y'=sin(x+y)).

Во всех точках плоскости xOy правая часть данного уравнения, т.е. функция f(x,y)=sin(x+y), удовлетворяет всем условиям теоремы существования и единственности, а поэтому интегральные кривые не пересекаются, и, следовательно, не пересекают изоклины y=-x-frac{pi}{2}+2pi{n}. Производная y'' обращается в ноль при 1+sin(x+y)=0, т.е. на изоклинах (6), и при cos(x+y)=0, т. е. на изоклинах (6) и (7). При переходе (слева направо) через изоклины (7) y'' меняет знак с плюса на минус. Например, если рассмотреть полосу, заключенную между изоклинами y=-x и y=pi-x, то на изоклине y=frac{pi}{2}-x производная y''=0, причем под изоклиной y''>0. Значит, интегральные кривые обращены вогнутостью вверх, а над изоклиной y''<0, значит, интегральные кривые обращены вогнутостью вниз. Таким образом, изоклины (7) являются геометрическим местом точек перегиба интегральных кривых. Полученные данные позволяют приближенно построить семейство интегральных кривых данного уравнения. Для более точного построения следует нанести еще несколько изоклин (рис. 7).

Семейство интегральных кривых и изоклины


Пример 3. Методом изоклин построить интегральные кривые уравнения y'=y-x^2+2x-2.

Решение. Положим y'=text{const}=k. Тогда уравнение изоклин будет

y-x^2+2x-2=k, или y=x^2-2x+2+k.

Приближенное семейство интегральных кривых уравнения

Изоклинами являются параболы с вертикальной осью симметрии x=1. Среди изоклин нет интегральных кривых. В самом деле, подставляя в данное уравнение y=x^2-2x+2+k и y'=2x-2, будем иметь 2x-2=x^2-2x+2+k-x^2+2x-2 , или 2x-2=k. Но это равенство ни при каком значении k не может выполняться тождественно относительно x.

Пусть k=0, тогда в точках пересечения с изоклиной y=x^2-2x+2 интегральные кривые будут иметь горизонтальные касательные. Изоклина y=x^2-2x+2 разбивает плоскость xOy на две части: в одной из них y'<0 (решения y убывают), а в другой y'>0 (решения y возрастают). И так как эта изоклина не является интегральной кривой, то на ней находятся точки экстремума интегральных кривых, именно на той части параболы y=x^2-2x+2, где x<1 — точки минимума, а на другой части этой параболы, где x>1 — точки максимума. Интегральная кривая, проходящая через точку (1;1), т.е. через вершину параболы y=x^2-2x+2, в этой точке не имеет экстремума. В точках изоклин y=x^2-2x+3 (k=1) и y=x^2-2x+1 (k=-1) касательные к интегральным кривым имеют угловые коэффициенты, соответственно равные 1 и –1.

Для исследования направления вогнутости интегральных кривых найдем вторую производную:

y''=y'-2x+2=y-x^2+2x-2-2x+2=y-x^2.

Она обращается в ноль только в точках, лежащих на параболе y=x^2. В точках плоскости xOy, координаты которых удовлетворяют условию y<x^2, интегральные кривые вогнуты вниз (y''<0), а в точках, где y>x^2, они вогнуты вверх y''>0. Точки пересечения интегральных кривых с параболой y=x^2 являются точками перегиба этих кривых. Итак, парабола y=x^2 есть геометрическое место точек перегиба интегральных кривых.

Правая часть исходного уравнения f(x,y)=y-x^2+2x-2 во всех точках плоскости xOy удовлетворяет условиям теоремы существования и единственности, поэтому через каждую точку плоскости проходит единственная интегральная кривая уравнения.

Используя полученные сведения, строим приближенно семейство интегральных кривых данного уравнения (рис. 8).


Замечание 2. Точки пересечения двух или нескольких изоклин могут быть особыми точками дифференциального уравнения (1), т.е. такими точками, в которых правая часть уравнения (1) не определена.

Рассмотрим уравнение y'=frac{y}{x}. Семейство изоклин определяется уравнением frac{y}{x}=k. Это семейство прямых, проходящих через начало координат, так что в начале координат пересекаются изоклины, отвечающие различным наклонам касательных к интегральным кривым. Нетрудно убедиться, что общее решение данного уравнения имеет вид y=Cx и точка (0;0) является особой точкой дифференциального уравнения. Здесь изоклины являются интегральными кривыми уравнения (рис. 9).


Пример 4. Методом изоклин построить интегральные кривые уравнения frac{dy}{dx}=frac{y-x}{y+x}.

Решение. Полагая y'=text{const}=k, получаем уравнение семейства изоклин frac{y-x}{y+x}=k. Таким образом, изоклинами являются прямые, проходящие через начало координат O(0;0).

При k=-1 получим изоклину y=0, при x — изоклину y=x, при k=1 — изоклину x=0.

Рассматривая обратное уравнение frac{dx}{dy}=frac{y+x}{y-x} найдем изоклину y=-x, во всех точках которой интегральные кривые имеют вертикальные касательные.

В точке (0;0) пересекаются все изоклины данного уравнения (особая точка уравнения). С помощью полученных изоклин строим интегральные кривые (рис. 10).

Интегральные кривые, построенные по изоклинам

Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).

Кнопка "Поделиться"

Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Справочный материал
Примеры
Обратите внимание!
Видео
Модели
Пройти тесты

Дифференциальным уравнением LaTeX formula: n-го порядка называют уравнение вида: 

LaTeX formula: fleft ( x;y;y';y'';...;y^{(n)} right )=0 , (8.1)

где LaTeX formula: y=f(x)  – неизвестная функция, а  LaTeX formula: y,y',y'',...,y^{(n) ,  , …,   – ее производные.

Дифференциальным уравнением первого порядка называют уравнение вида: 

LaTeX formula: fleft ( x;y;y'right )=0 . (8.2)

Например,  LaTeX formula: 2x^2-3y+8y'=0 , LaTeX formula: 2x^2+5=8y'  ,  LaTeX formula: 3y+8y'=2 , LaTeX formula: y'=2  ,  LaTeX formula: sinx=2yy' , LaTeX formula: 3y^2y'-1=e^{2x}  – дифференциальные уравнения первого порядка.

Общим решением уравнения 8.2 называется функция 

LaTeX formula: y=phi (x;C) , (8.3)

как семейство интегральных кривых на плоскости, зависящих от произвольной постоянной LaTeX formula: C, и удовлетворяющая условию 8.2.

Например: 1) убедимся в том, что функция LaTeX formula: y=x^2+x+C  – общее решение уравнения  LaTeX formula: y'-2x=1 . Найдем производную этой функции:  LaTeX formula: y'=2x+1+0 . Подставим значения LaTeX formula: y и  LaTeX formula: y' в уравнение LaTeX formula: y'-2x=1  и получим: LaTeX formula: (2x+1)-2x=1 ,  LaTeX formula: 1=1 .

Если общее решение уравнения получено в неявном виде

LaTeX formula: Phi (x;y;C)=0 , (8.4)

то его называют общим интегралом.

Например, LaTeX formula: y^3=-e^{-x}+e^x+C  – общий интеграл уравнения  LaTeX formula: 3e^xy^2y'=1+e^{2x} .

Решить задачу Коши – значит найти интегральную кривую, проходящую через заданную точку LaTeX formula: M_0(x_0;y_0)  или иначе найти частное решение

LaTeX formula: y=phi (x) , (8.5)

удовлетворяющее начальным условиям  LaTeX formula: y(x_0)=y_0 .

Некоторые виды уравнений первого порядка

1. Дифференциальное уравнение с разделенными переменными имеет вид: 

LaTeX formula: f(y)dy=f(x)dx . (8.6)

Чтобы решить уравнение 8.6, необходимо проинтегрировать его обе части. Например, решим уравнение  LaTeX formula: 3y^2dy=e^xdx:

LaTeX formula: int 3y^2dy=int e^xdx , LaTeX formula: y^3=e^x+C .

2. Дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными имеет вид: 

LaTeX formula: f_1(x)g(y)dx=f_2(x)dy . (8.7)

Чтобы решить уравнение 8.7, необходимо разделить переменные и проинтегрировать обе его части. 

3. Дифференциальное однородное уравнение имеет вид: 

LaTeX formula: P(x,y)dx=Q(x,y)dy , (8.8)

где LaTeX formula: P(x;y)  и  LaTeX formula: Q(x;y) однородные функции одного и того же порядка: LaTeX formula: P(kx,ky)=k^nP(x,y)  и  LaTeX formula: Q(kx,ky)=k^nQ(x,y) .

Например: LaTeX formula: f(x,y)=2x-3y  – однородная функция первого порядка, так как LaTeX formula: f(kx,ky)=2kx-3ky=k(2x-3y) ; функция LaTeX formula: f(x;y)=sin(x+y)  не является однородной.

Чтобы решить уравнение 8.8, необходимо применить подстановку: 

LaTeX formula: y=ux ,  LaTeX formula: dy=udx+xdu , где  LaTeX formula: u=f(x) . (8.9)

4. Дифференциальное линейное уравнение имеет вид: 

LaTeX formula: y'+p(x)y+q(x)=0 . (8.10)

Чтобы решить уравнение 8.10, необходимо применить подстановку:

LaTeX formula: y=uv ,  LaTeX formula: y'=u'v+uv' , где  LaTeX formula: u=f_1(x),  LaTeX formula: v=f_2(x) . (8.11)

Пример 1. Решите уравнение  LaTeX formula: 2x^2+5=8y' .

Решение. Поскольку  LaTeX formula: y'=frac{dy}{dx}, то запишем данное уравнение так:  LaTeX formula: 2x^2+5=8frac{dy}{dx},  LaTeX formula: left ( 2x^2+5 right )dx=8dy . Получили уравнение вида 8.6 с разделенными переменными. Интегрируя обе его части, найдем общее решение 8.3: 

LaTeX formula: int 8dy=int left ( 2x^2+5 right )dx ,  LaTeX formula: 8y=frac{2x^3}{3}+5x+8C ,  LaTeX formula: y=frac{x^3}{12}+frac{5x}{8}+C .

Ответ:  LaTeX formula: y=frac{x^3}{12}+frac{5x}{8}+C .

Пример 3. Решите уравнение  LaTeX formula: 4xy'=x+y .

Решение. Запишем уравнение в виде  LaTeX formula: 4xdy=(x+y)dx . 

Функции  LaTeX formula: P(x;y)=4x и LaTeX formula: Q(x;y)=x+y  являются однородными функциями первого порядка, так как 

LaTeX formula: P(kx;ky)=4kx=kP(x;y) , и  LaTeX formula: Q(kx;ky)=kx+ky=kQ(x;y) .

Следовательно, имеем однородное дифференциальное уравнение первого порядка 8.8. Полагая  LaTeX formula: y=ux ,  LaTeX formula: dy=udx+xdu , получим: LaTeX formula: 4x(udx+xdu)=(x+ux)dx ,  LaTeX formula: 4x(udx+xdu)=x(1+u)dx ,  LaTeX formula: 4udx+4xdu=(1+u)dx ,  LaTeX formula: 4xdu=(1+u)dx-4udx , LaTeX formula: 4xdu=(1-3u)dx . 

Разделим переменные и проинтегрируем полученное равенство:

LaTeX formula: frac{4du}{1-3u}=frac{dx}{x} ,  LaTeX formula: int frac{4d(1-3u)}{-3(1-3u)}=int frac{dx}{x} ,  LaTeX formula: int frac{d(1-3u)}{1-3u}=-frac{3}{4}int frac{dx}{x} ,  LaTeX formula: ln(1-3u)=-frac{3}{4}lnx+lnC ,  LaTeX formula: ln(1-3u)=-lnx^{0,75}+lnC ,  LaTeX formula: ln(1-3u)=lnfrac{C}{x^{0,75}} ,  LaTeX formula: 1-3u=frac{C}{x^{0,75}} , LaTeX formula: u=frac{1}{3} -frac{C}{3x^{0,75}} .

Учитывая, что LaTeX formula: y=ux, получим:  LaTeX formula: y=frac{x}{3} -frac{Cx}{3x^{0,75}} ,  LaTeX formula: y=frac{x-Cx^{0,25}}{3} .

Ответ:  LaTeX formula: y=frac{x-Cx^{0,25}}{3} . 

Пример 4. Решите уравнение LaTeX formula: xy'-y=x-1 .

Решение. Имеем линейное уравнение 8.10 Полагая  LaTeX formula: y=uv ,  LaTeX formula: y'=u'v+uv', получим: 

LaTeX formula: x(u'v+uv')-uv=x-1 , LaTeX formula: xu'v+xuv'-uv=x-1 .

Сгруппируем слагаемые, содержащие множитель LaTeX formula: u, и вынесем его из скобки:  LaTeX formula: xu'v+(xuv'-uv)=x-1 ,  LaTeX formula: xu'v+u(xv'-v)=x-1 .

Если положим  LaTeX formula: xv'-v=0 , то получим  LaTeX formula: xu'v+ucdot 0=x-1 .

Запишем систему уравнений:  LaTeX formula: begin{cases} xv'-v=0 \ xu'v=x-1 end{cases}

Решим первое уравнение системы:  LaTeX formula: xfrac{dv}{dx}=v ,  LaTeX formula: xdv=vdx ,  LaTeX formula: int frac{dv}{v}=int frac{dx}{x} ,  LaTeX formula: lnv=lnx   (произвольная постоянная тут всегда равна нулю),  LaTeX formula: v=x .

Подставим полученное значение  LaTeX formula: v=x во второе уравнение системы и решим его:  LaTeX formula: xu'x=x-1 ,  LaTeX formula: u'=frac{x-1}{x^2} ,  LaTeX formula: frac{du}{dx}=frac{x-1}{x^2} ,  LaTeX formula: du=frac{x-1}{x^2}dx ,  LaTeX formula: int du=int frac{1}{x}dx-int frac{1}{x^2}dx ,  LaTeX formula: u=lnx+frac{1}{x}+C .

Так как  LaTeX formula: y=uv, то получим:  LaTeX formula: y=xlnx+1+Cx .

Ответ:  LaTeX formula: y=xlnx+1+Cx .

Пусть необходимо решить дифференциальное уравнение вида Метод Эйлера при заданных начальных условиях (Метод Эйлера при Метод Эйлера) на отрезке Метод Эйлера, где Метод Эйлера. С помощью метода Эйлера мы сможем построить таблицу значений искомой функции Метод Эйлера на отрезке Метод Эйлера вида:

Метод Эйлера

Выполним следующие действия:

Метод Эйлера

1. С помощью точек Метод Эйлера разобьём отрезок Метод Эйлера на Метод Эйлера равных частей длиной Метод Эйлера.

2. Попытаемся искомую интегральную кривую приближенно заменить касательными, проведенными в крайней левой точке каждого отрезка Метод Эйлера (рис. 48.2) — Метод Эйлера Метод Эйлера

Уравнение касательной, проведенной к графику функции Метод Эйлера в точке Метод Эйлера, имеет вид: Метод Эйлера.

3. Рассмотрим первый отрезок Метод Эйлера . Касательная Метод Эйлера, которую мы проводим к графику искомой функции в точке Метод Эйлера, должна пройти через известную точку Метод Эйлера и через некоторую точку
Метод Эйлера, абсцисса которой — известное значение Метод Эйлера, а ордината Метод Эйлера неизвестна.

Поскольку точки Метод Эйлера и Метод Эйлера лежат на касательной Метод Эйлера, их координаты удовлетворяют уравнению касательной (*): Метод Эйлера.

По условию исходное дифференциальное уравнение имеет вид Метод Эйлера, отсюда Метод Эйлера.

Подставим Метод Эйлера в уравнение касательной Метод Эйлера.

Длина отрезка Метод Эйлера равна Метод Эйлера или Метод Эйлера, следовательно, уравнение касательной Метод Эйлера примет вид: Метод Эйлера.

Выразим из этого уравнения неизвестную переменную Метод Эйлера.

С помощью формулы (1) мы нашли ординату точки Метод Эйлера, лежащей на касательной Метод Эйлера. Если выбирать длину отрезка Метод Эйлера по-возможности небольшой, то ордината точки Метод Эйлера, лежащей на искомой интегральной кривой и имеющей ту же абсциссу Метод Эйлера, будет мало чем отличаться от найденного значения Метод Эйлера.

4. Рассмотрим отрезок Метод Эйлера. Координаты точки Метод Эйлера нам известны, необходимо найти ординату Метод Эйлера точки Метод Эйлера. Проведя ту же цепочку рассуждений, что и в пункте 3, найдем формулу для расчета Метод Эйлера.

Полученное число Метод Эйлера будем считать приближенным значением искомой функции в точке Метод Эйлера.

Формулу (2) в общем виде можно записать следующим образом: Метод Эйлера, где Метод Эйлера — значения искомой функции в точках Метод Эйлера. Для удобства все найденные значения Метод Эйлера и Метод Эйлера заносят в таблицу.

Пример №48.1.

Дано дифференциальное уравнение Метод Эйлера. Найдите методом Эйлера на отрезке [0; 1] с шагом Метод Эйлера численное решение задачи Коши с начальным условием Метод Эйлера.

Решение:

Заданное дифференциальное уравнение Метод Эйлера соответствует виду дифференциальных уравнений Метод Эйлера, для которых применим метод Эйлера. В нашем случае Метод Эйлера.

Для удобства вычислений все расчеты будем выполнять в электронных таблицах Microsoft Excel. В качестве шапки таблицы можно предложить следующий вариант:

Метод Эйлера

В столбце Метод Эйлера будет указываться номер выполняемого шага: Метод Эйлера.

В столбце Метод Эйлера будут располагаться значения Метод Эйлера. Поскольку Метод Эйлера — начало отрезка [0;1], то в ячейку Метод Эйлера занесем значение 0. Чтобы найти значение Метод Эйлера, которое будет находиться в ячейке Метод Эйлера, достаточно к началу промежутка Метод Эйлера прибавить ширину шага Метод Эйлера. В ячейке Метод Эйлера будет находиться число 0 + 0,1 = 0,1. Для нахождения каждого последующего значения Метод Эйлера к предыдущему необходимо прибавлять ширину шага до тех пор, пока Метод Эйлера не будет равно концу отрезка (числу 1).

В столбце Метод Эйлера будут содержаться значения искомой функции в точках Метод Эйлера. Значение Метод Эйлера берем из условия задачи Коши: Метод Эйлера. Заносим это число в ячейку Метод Эйлера. Чтобы
получить значение Метод Эйлера, в ячейку Метод Эйлера достаточно ввести формулу, аналогичную формуле (1). В нашем примере она будет иметь вид: Метод Эйлера. Для заполнения столбца оставшихся значений Метод Эйлера можно воспользоваться возможностями автозаполнения. Тогда расчетная таблица будет иметь вид:

Метод Эйлера

Метод Эйлера

Данная таблица как раз и представляет собой численное решение задачи Коши методом Эйлера. Пользуясь этой таблицей можно построить на отрезке [0;1] искомую интегральную кривую, проходящую через точку (0; 1) (рис 48.3).

Подведем итог. Метод Эйлера задает простой алгоритм вычислений, но определяет табличные значения Метод Эйлера с небольшой степенью точности. Это связано с тем, что касательная проводится в левом конце каждого рассматриваемого отрезка, и не учитывается поведение интегральной кривой на всем отрезке. По этой причине приближения Метод Эйлера оказываются достаточно грубыми, причем расхождения Метод Эйлера с истинными значениями искомой функции растут к концу таблицы.

Эта лекция взята с главной страницы на которой находится курс лекций с теорией и примерами решения по всем разделам высшей математики:

Предмет высшая математика

Другие лекции по высшей математике, возможно вам пригодятся:

0 / 0 / 0

Регистрация: 24.11.2016

Сообщений: 3

1

Найти интегральную кривую уравнения

24.11.2016, 19:26. Показов 3020. Ответов 5


Студворк — интернет-сервис помощи студентам

Добрый вечер, помогите пожалуйста, нужно найти интегральную кривую уравне-ния: xy`=2y , проходящую через точку Mo(2;3)



0



Эксперт по математике/физике

2614 / 2228 / 684

Регистрация: 29.09.2012

Сообщений: 4,578

Записей в блоге: 13

24.11.2016, 19:37

2

Цитата
Сообщение от XBC
Посмотреть сообщение

найти интегральную кривую

Разделите переменные и интегрируйте



1



Эксперт по математике/физике

8742 / 6335 / 3404

Регистрация: 14.01.2014

Сообщений: 14,553

24.11.2016, 21:22

3

Возможно требовалось ещё численное решение

Миниатюры

Найти интегральную кривую уравнения
 



1



0 / 0 / 0

Регистрация: 24.11.2016

Сообщений: 3

27.11.2016, 18:34

 [ТС]

4

Спасибо ребята!)



0



0 / 0 / 0

Регистрация: 24.11.2016

Сообщений: 3

28.11.2016, 18:42

 [ТС]

5

mathidiot,М0(2 3) — как так сделать?Пробел между цифрами если точнее.



0



Эксперт по математике/физике

8742 / 6335 / 3404

Регистрация: 14.01.2014

Сообщений: 14,553

28.11.2016, 20:14

6

Набираете сначала M.o:= дальше щелкаете мышкой на палитре «Матрица» и при этом задаете число строк, равным 1, и число столбцов, равным 2, появится шаблон с двумя местами под числа.



0



IT_Exp

Эксперт

87844 / 49110 / 22898

Регистрация: 17.06.2006

Сообщений: 92,604

28.11.2016, 20:14

Помогаю со студенческими работами здесь

Построить интегральную кривую проходящую через точку
Для уравнения y»+16*y=0. Найти интегральную кривую, проходящую через точку M(0,1) и качающуюся в…

Найти решение уравнения, изоклинную и интегральную кривые, решение задачи Коши
Помогите пожалуйста!
а) Найти решение вида: x=a,y=b,y=kx+b
y’=frac{y^2-4}{xy},\ y’=x-y+2

б)…

Найти интегральную функцию распределения
f(x)= left{begin{matrix}0, x > 0\ frac{x}{2}, 0 leq x leq 2\ 0, x > 2\end{matrix}right….

Построить кривую и написать уравнения директрис
Построить кривую frac{{(y-2)}^{2}}{4}+{(x+4)}^{2}=1
Написать уравнения директрис.

Добавлено…

Искать еще темы с ответами

Или воспользуйтесь поиском по форуму:

6

Понравилась статья? Поделить с друзьями:

Не пропустите также:

  • Изменения конфигурации оборудования не обнаружены как исправить принтер
  • В расчетном листе излишне удержан ндфл как исправить
  • Как составить свой текст для песни
  • Как найти свой киар код
  • Как найти пропавшего человека на донбассе

  • 0 0 голоса
    Рейтинг статьи
    Подписаться
    Уведомить о
    guest

    0 комментариев
    Старые
    Новые Популярные
    Межтекстовые Отзывы
    Посмотреть все комментарии