background image

AM2 w13

 

 

30.05.2012

 

 

 

RÓWNANIA

 

RÓŻNICZKOWE

   

ZWYCZAJNE

 

-

WPROWADZENIE

 

Równaniem różniczkowym zwyczajnym nazywamy  równanie,  w którym  występuje  nieznana  funkcja 
jednej  zmiennej  i jej pochodne. 
 
Przykład 1 
Jak powstaje  równanie  różniczkowe? 
Jak szybko  stygnie  kawa? 
Jak szybko  topią  się lody? 
Zbudujmy  prosty  model  matematyczny  tego  zjawiska. 
t- czas 

)

(t

T

T

 temperatura  ciała  w chwili  t 

0

0

)

(

T

t

T

 temperatura  początkowa  ciała 

T

 - temperatura  otoczenia 

Zmiana  temperatury  po upływie  czasu  h jest  proporcjonalna  do różnicy  temperatur  między  ciałem  a 
otoczeniem. 

T

t

T

a

h

t

T

h

t

T

)

(

)

(

)

(

 

a

  współczynnik  proporcjonalności, 

0

a

Współczynnik  proporcjonalności  jest ujemny  gdyż  ciało  po upływie  czasu 

0

h

stygnie 

0

)

(

)

(

t

T

h

t

T

, gdy  ma  temperaturę  wyższą  od temperatury  otoczenia   

0

)

(

T

t

T

Ciało  ogrzewa  się 

0

)

(

)

(

t

T

h

t

T

, gdy  ma temperaturę  niższą  od temperatury  otoczenia   

0

)

(

T

t

T

 

Przyjmując  dla prostoty 

0

T

 i przechodząc  do granicy 

0

h

 otrzymujemy  równanie  różniczkowe 

aT

dt

dT

 

 

aT

T

 

Rozwiązanie  równania  łatwo  odgadnąć  jest to np. funkcja 

at

e

t

T

)

(

 oraz każda  funkcja  postaci   

at

Ce

t

T

)

(

 gdzie  C oznacza  dowolna  stałą. 

 
Uwzględniając  warunek  początkowy 

0

0

)

(

T

t

T

 dostajemy  rozwiązanie  wyjściowego  zagadnienia 

)

(

0

0

)

(

t

t

a

e

T

t

T

 

Rozwiązanie  można  łatwo  zmodyfikować  by uwzględniało  dowolną  temperaturę  otoczenia. 

)

(

0

0

)

(

t

t

a

e

T

T

T

t

T

 

 
 
Równaniem różniczkowym zwyczajnym
 nazywamy  równanie  postaci 

0

)

,...,

,

,

,

(

)

(



n

y

y

y

y

x

F

 

 

*** 

gdzie  F oznacza  znaną  funkcję  a niewiadomą  jest funkcja 

)

(x

y

y

 jednej  zmiennej  x i w którym 

występują  pochodne  tej funkcji. 
Rząd  najwyższej  pochodnej  występującej  w równaniu  nazywamy  rzędem równania

0

2

y

x

 

 

y

y

  

0

6



y

y

y

 

Pierwsze  dwa równania  są rzędu  pierwszego,  trzecie  równanie  jest rzędu  drugiego. 
 
Funkcję 

)

(x

y

y

określoną  w pewnym  przedziale,  która zmienia  równanie  *** w tożsamość 

nazywamy  rozwiązaniem szczególnym równania (całką szczególną skrót RS lub CS
Wykres  tej funkcji  nazywamy  krzywą całkową

background image

AM2 w13

 

 

30.05.2012

 

 

 

RÓWNANIA  RÓŻNICZKOWE  RZĘDU  PIERWSZEGO 

 

0

)

,

,

(

y

y

x

F

 * 

Zadanie  polegajace  na wyznaczeniu  funkcji  spełniającej  równanie  różniczkowe  * i przechodzącej 
przez  zadany  punkt 

)

,

(

0

0

y

x

 inaczej  spełniającej  warunek  początkowy 

0

0

)

(

y

x

y

nazywamy 

zagadnieniem Cauchy’ego dla równania rzędu pierwszego. 

 

 
 
Zajmiemy  się  równaniem  rzędu  pierwszego  w postaci normalnej  

)

,

(

y

x

f

y

Przez  rozwiązanie  równania  rozumiemy  dalej  zarówno  podanie  rozwiązania  w postaci  jawnej,  to 
znaczy  podanie  wzoru  na szukaną  funkcję   

)

(x

y

y

jak też  podanie  rozwiązania  w postaci  uwikłanej, 

czyli 

C

y

x

)

,

(

 gdzie  C jest  stałą.   

 

RÓWNANIE O ZMIENNYCH ROZDZIELONYCH

 

 
Def. Równanie  postaci   

)

(

)

(

y

g

x

f

y

 

 

 

 

 

 

(1) 

gdzie  funkcja  jest ciągła  w przedziale  X, funkcja  g jest ciągła  i  różna  od zera  w przedziale  Y 
nazywamy  równaniem różniczkowym o zmiennych rozdzielonych. 
 
Równanie  to rozwiązujemy,  "rozdzielając  zmienne",  czyli  grupując  wyrażenia  z  y po jednej  stronie,  a 
wyrażenia  z x po drugiej  stronie  znaku  równości.   
 
Rozdzielamy  zmienne,  otrzymujemy: 

dx

x

f

dy

y

g

)

(

)

(

 

całkujemy 

dx

x

f

dy

y

g

)

(

)

(

 

skąd dostajemy  całkę  ogólna  równanie  (1) 

C

x

F

y

G

)

(

)

(

 

gdzie  GF są funkcjami  pierwotnymi  funkcji  g i  fC oznacza  dowolną  stałą. 
 
Całka szczególna  równania  (1) spełniająca  zadany  warunek  początkowy  (CSsWP)  

0

0

)

(

y

x

y

 gdzie  liczby 

0

0

y

x

 są dane ma  postać 

)

(

)

(

)

(

)

(

0

0

x

F

x

F

y

G

y

G

 

 
Przez  każdy  punkt 

)

,

(

0

0

y

x

 prostokąta 

Y

y

X

x

y

x

D

,

:

)

,

(

 przechodzi  dokładnie  jedna  krzywa 

całkowa  równania  (1). 

 

Zadanie  1 

Rozwiązać  równanie 

x

y

y

2

 

background image

AM2 w13

 

 

30.05.2012

 

 

 

R

ÓWNANIA RÓŻNICZKOWE  SPROWADZALNE  DO RÓWNANIA O ZMIENNYCH  ROZDZIELONYCH

 

Równanie  postaci   

x

y

f

y

 

sprowadzamy  do równania  o zmiennych  rozdzielonych  (1) za pomocą  podstawienia 

x

y

x

u

)

(

Równanie   

c

by

ax

f

y

 gdzie 

0

,

,

b

c

a

 są to dane  liczby 

sprowadzamy  do równania  o zmiennych  rozdzielonych  (1) za pomocą  podstawienia 

c

by

ax

x

u

)

(

Zadanie 2 
Rozwiązać  równanie   

1

y

x

y

 

y

x

y

x

y

2

 

R

ÓWNANIA LINIOWE RZĘDU PIERWSZEGO

 

 
Def.
 Równanie  różniczkowe  rzędu  pierwszego  nazywamy  liniowym, jeśli  jest to równanie  pierwszego 
stopnia  ze względu  na niewiadomą  funkcje  i jej pierwszą  pochodną.  Zapisujemy  je w postaci   

)

(

)

(

x

f

y

x

p

y

                   ( skrót RL) 

gdzie  p i f są to dane  funkcje  ciągłe,  określone  w przedziale  X. 
Równanie  nazywamy   
jednorodnym jeśli 

0

)

(

x

f

 na przedziale  X (skrót RJ),  

niejednorodnym jeśli  f(x)

0 (skrót RN). 

0

)

(

y

x

p

y

   

       RJ 

)

(

)

(

x

f

y

x

p

y

 

 

RN  

Dla  dowolnych  wartości  początkowych 

0

0

y

x

 gdzie 

R

y

X

x

0

0

,

 równanie  linowe  ma dokładnie 

jedno  rozwiązanie  spełniające  zadany  warunek  początkowy 

0

0

)

(

y

x

y

. Wszystkie  rozwiązania  istnieją 

w całym  przedziale  X
 
Równanie  jednorodne  jest równaniem  o zmiennych  rozdzielonych,  ma  rozwiązanie  ogólne 

)

x

P

Ce

y

 skrót RORJ 

gdzie  P jest  funkcją  pierwotną  funkcji  pC jest dowolną  stałą. 
 
Uwaga 
RJ ma jedno  rozwiązanie  zerowe  (

X

x

y

dla

0

), które otrzymujemy  ze  wzoru  kładąc 

0

C

  

oraz  nieskończenie  wiele  rozwiązań  niezerowych. 
 
Rozwiązanie  szczególne  równania  niejednorodnego  jest dane wzorem 

dx

e

x

f

e

y

x

P

x

P

)

(

)

(

)

(

 skrót RSRN 

 
Rozwiązanie  ogólne  równania  niejednorodnego  jest  dane wzorem 

RORN=RORJ+RSRN 

Przykład 
Rozwiązać  równanie  liniowe  spełniające  zadany  warunek  poczatkowy 

2

)

1

(

,

2

2

3

y

x

xy

y