Лектор Пахомова Е.Г г. Дифференциальные уравнения Тема: Дифференциальные уравнения: основные понятия. Уравнения с разделенными и разделяющимися переменными

Теория дифференциальных уравнений – раздел математики, в котором изучаются дифференциальные уравнения (вопросы существования решения дифференциального уравнения, его единственность и способы нахождения). ЛИТЕРАТУРА Краснов М.Л. Обыкновенные дифференциальные уравнения Самойленко А.М., Кривошея С.А., Перестюк Н.А. Дифференциальные уравнения. Примеры и задачи Барышева В.К., Ивлев Е.Т., Пахомова Е.Г. Обыкновенные дифференциальные уравнения (часть I) Барышева В.К., Ивлев Е.Т., Имас О.Н., Пахомова Е.Г. Обыкновенные дифференциальные уравнения (часть II) Степанов В.В. Курс дифференциальных уравнений Киселев А.И., Краснов М.Л., Макаренко Г.И. Сборник задач по обыкновенным дифференциальным уравнениям Матвеев Н.М. Сборник задач и упражнений по обыкновенным дифференциальным уравнениям

ГЛАВА I. Дифференциальные уравнения первого порядка §1. Основные понятия ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Обыкновенным дифференциальным уравне- нием называется уравнение, связывающее независимую переменную x, искомую функцию y = y(x) и ее производные y (x), y (x), …, y (n) (x). в общем случае ОДУ имеет вид F(x, y, y, y, y, …, y (n) ) = 0. Порядок старшей производной, входящей в ОДУ, называется порядком дифференциального уравнения. ПРИМЕР. Определить порядок уравнений:

Замечание. Уравнение, связывающее неизвестную функцию n переменных, ее аргументы и ее частные производные, называется уравнением в частных производных. Функция y = (x) называется решением дифференциального уравнения на интервале (a;b), если при ее подстановке в это уравнение получается тождество, справедливое для всех x из интервала (a;b). ПРИМЕР. 1) y = cosx – решение ДУ y + y = 0 на (–, + ) ; 2) – решение ДУ в интервале (– 1 ; 1). Уравнение Φ(x,y) = 0, задающее в неявном виде решение диф- ференциального уравнения, называется интегралом диффе- ренциального уравнения. График решения (интеграла) дифференциального уравнения называется интегральной кривой.

Процесс нахождения решений дифференциального уравнения называется интегрированием дифференциального уравнения. Дифференциальное уравнение называется интегрируемым в квадратурах, если все его решения могут быть получены в результате конечной последовательности элементарных действий над известными функциями и интегрированием этих функций.

§2. Теорема существования и единственности решения задачи Коши для уравнения y = f(x,y) Общий вид ДУ 1-го порядка: F(x, y, y ) = 0,(1) где x – независимое переменное, y – неизвестная функция, F – заданная функция трех переменных. Дифференциальное уравнение первого порядка, которое можно записать в видеy = f(x,y)(2) называется уравнением первого порядка, разрешенным относительно производной.

ТЕОРЕМА 1 (Коши). Пусть для уравнения y = f(x,y) выполняются два условия: 1) f(x,y) непрерывна в некоторой области D плоскости xOy, 2) в области D ограничена. Тогда для любой точки M 0 (x 0,y 0 ) D существует един- ственное решение y = (x) уравнения (2), определенное в не- котором интервале (a;b) содержащем точку x 0, и удовлет- воряющее условию y 0 = (x 0 ). Числа x 0, y 0 называются начальными значениями (данными) для решения y = (x). Условие y(x 0 ) = y 0 называется начальным условием. Геометрически, задание начального условия означает, что на плоскости xOy задается точка (x 0,y 0 ), через которую проходит интегральная кривая y(x).

Задача нахождения решения дифференциального уравнения F(x,y,y )=0, удовлетворяющего начальному условию y(x 0 ) = y 0, называется задачей Коши. Теорему 1 называют теоремой существования и единственности решения задачи Коши для ДУ 1-го порядка, разрешенного относительно производной. Решение (интеграл), в каждой точке которого выполняется условие единственности, называется частным. Решение (интеграл) y = (x), в каждой точке которого нарушено условие единственности (т.е. через каждую точку кривой y = (x) проходит еще хотя бы одна, отличная от y = (x), интегральная кривая), называется особым. График особого решения называют особой интегральной кривой уравнения.

Замечание. Теорема 1 дает достаточные условия существо- вания и единственности решения задачи Коши. Возможно, что в точке (x 0,y 0 ) условия теоремы 1 не вы- полняются, а решение y = y(x) уравнения (2), удовлет- воряющее условию y(x 0 ) = y 0, существует и единственно. Из теоремы 1 1) вся область D покрыта интегральными кривыми уравнения (2), которые нигде между собой не пересекаются; 2) ДУ (2) имеет множество решений. Совокупность решений зависит от произвольной постоянной.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Общим решением дифференциального урав- нения y = f(x,y) в области D существования и единствен- ности решения задачи Коши называется функция y = (x, C), зависящая от x и одной произвольной постоянной C, кото- рая удовлетворяет следующим двум условиям: 1)при любом допустимом значении постоянной С она удовлетворяет уравнению (2); 2)каково бы ни было начальное условие y(x 0 ) = y 0 (где (x 0,y 0 ) D), можно найти единственное значение C = C 0 такое, что функция y = (x, C 0 ) удовлетворяет данному начальному условию. Уравнение Φ(x, y, C) = 0, задающее общее решение в неявном виде, называется общим интегралом уравнения.

Любое решение (интеграл), получающееся из общего решения (интеграла) при конкретном значении постоянной C (включая C = ), является частным. Особое решение, очевидно, не входит в общее решение дифференциального уравнения. Особое решение всегда «теряется» в процессе интегрирования и обладает тем свойством, что оно может быть включено в общее решение, если допустить C = C(x). С геометрической точки зрения особая интегральная кривая является огибающей семейства интегральных кривых. ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Линия н азывается огибающей однопара- метрического семейства кривых, если она в каждой своей точке касается одной кривой семейства, причем в различных точках она касается различных кривых.

ПРИМЕР. Прямые y = R являются огибающими семейства окружностей (x + C) 2 + y 2 = R 2.

§3. Уравнения с разделенными переменными ДУ 1-го порядка, разрешенное относительно y, имеет две фор- мы записи: 1) обычную, т.е.y = f(x,y), 2) дифференциальную, т.е. P(x, y)dx + Q(x, y)dy = 0.(3) При этом, если уравнение записано в виде (3), то обычно предполагают, что переменные x и y равноправны. Дифференциальным уравнением с разделенными переменными называется уравнение, дифференциальная форма которого имеет вид f(x)dx + (y)dy = 0,(4) где f(x) и (y) – непрерывные функции.

Пусть F(x) – первообразная функции f(x), Φ(y) – первообразная функции (y). Тогда общий интеграл уравнения (4) имеет вид: F(x) + Φ(y) = C, где C – произвольная постоянная. Замечание. В теории дифференциальных уравнений символом принято обозначать ОДНУ из первообразных функции f(x) (а не все множество первообразных, как это принято в других разделах математического анализа). Поэтому общий интеграл уравнения (4) принято записывать в виде: где C – произвольная постоянная.

§4. Уравнения с разделяющимися переменными Дифференциальным уравнением с разделяющимися перемен- ными называется уравнение, дифференциальная форма которого имеет вид f 1 (x) 1 (y)dx + f 2 (x) 2 (y)dy = 0,(5) где f 1 (x), f 2 (x), 1 (y), 2 (y) – непрерывные функции. Разделим обе части уравнения на 1 (y) f 2 (x): Общий интеграл уравнения (5) имеет вид:

Замечания. 1) Деление на 1 (y) f 2 (x) может привести к потере решений. Поэтому чтобы получить полное решение, необхо- димо рассмотреть корни уравнений 1 (y) = 0, f 2 (x) = 0. 2)Обычная форма дифференциального уравнения с разделяющимися переменными имеет вид: y = f(x) (y). Рассмотрим уравнение y = f(ax + by + c),(6) где a, b и c – некоторые числа. Оно приводится к уравнению с разделяющимися переменными заменой z(x) = ax + by + c и его общий интеграл имеет вид: