SlideShare a Scribd company logo
1 of 36
Download to read offline
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ГЛАВЫ
ВЫСШЕЙ МАТЕМАТИКИ
ГЛАВА 1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
ПЕРВОГО ПОРЯДКА
РОССИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
МИРЭА
Москва – 2018
Работа посвящена моделированию динамических систем
с использованием элементов высшей математики
Автор:
Степанов Дмитрий Юрьевич
к.т.н., доц. МИРЭА
Контакты:
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
mail@stepanovd.com
1. Оглавление
2
Общий вид уравнения, виды уравнений, общее и частное решение
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Виды уравнений и способы их решения
Численные методы решения уравнений
Примеры решения уравнений в среде MathCad
Интегральная кривая, задача Коши
Функции решения уравнений в MathCad
2. Общий вид уравнения n-го порядка
3
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
𝑭 𝒙, 𝒚, 𝒚′, . . , 𝒚(𝒏)
= 𝟎 (1)
где 𝑭 – некоторая функция от n+2 переменных, n≥1,
x – независимая переменная, y(x) – искомая функция,
𝒚′ 𝒙 , … , 𝒚 𝒏 (𝒙) – ее производные.
Дифференциальное уравнение n-го порядка
уравнение, связывающее независимую переменную x с
неизвестной функцией y(x) и ее производными до некоторого
порядка n включительно.
3. Обыкновенные и уравнения в производных
4
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Обыкновенное В частных производных
искомая функция зависит
от одной переменной
искомая функция зависит
от нескольких переменных
Дифференциальное
уравнение
4. Решение уравнения, интегральная кривая
5
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Задача интегрирования
есть задача о нахождении решения некоторого
дифференциального уравнения.
Решение дифференциального уравнения
называется функция y(x), имеющая производные до n-го порядка
включительно, и такая, что ее подстановка в уравнение (1) обращает
его в тождество.
Интегральная кривая
есть график решения дифференциального уравнения.
5. Общее и частное решения
6
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Общее решение дифференциального уравнения (1) n-го порядка
такое его решение
𝑦 = 𝜑(𝑥, 𝑐1, 𝑐2, . . , 𝑐 𝑛 ) (2)
которое является функцией переменной x и n произвольных
независимых 𝑐1, 𝑐2, . . , 𝑐 𝑛. Уравнение (1) имеет бесконечное
множество решений (2).
Частное решение дифференциального уравнения (1)
требует задания начальных условий:
𝑦(𝑥0) = 𝑥0,
𝑦′(𝑥0) = 𝑥0
1
,
… (3)
𝑦(𝑛−1)
(𝑥0) = 𝑥0
(𝑛−1)
.
Задача Коши
отыскание решения уравнения (1),
удовлетворяющего начальному условию (3).
6. Теорема Коши и интерпретация (1 из 2)
7
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Теорема о существовании и единственности решения задачи Коши
если в уравнении y′ = 𝑓 𝑥, 𝑦 функция 𝑓 𝑥, 𝑦 и ее частная производная
𝑓′ 𝑦 𝑥, 𝑦 непрерывна в некоторой области D, содержащей точку 𝑥0, 𝑦0 ,
то существует единственное решение 𝑦 = 𝜑(𝑥) этого уравнения,
удовлетворяющее начальному условию 𝑦(𝑥0) = 𝑥0.
Геометрическая интерпретация теоремы Коши
при выполнении условий теоремы существует единственная
интегральная кривая дифференциального уравнения, проходящая через
точку 𝑥0, 𝑦0 .
6. Теорема Коши и интерпретация (2 из 2)
8
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
X
Y
7. Виды уравнений и способы их решения
9
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Решение
на основе
численного
метода
Рунге-Кутта
Приводящиеся
к уравнению с
разделяющимися
переменными
Однородные
Решение
на основе
численного
метода
Эйлера
Обобщенные
однородные
Линейные
уравнения на
основе метода
Лагранжа
С разделяющимися
переменными
С разделенными
переменными
7.1. C разделенными переменными
10
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Уравнение с разделенными переменными
𝑃 𝑥 𝑑𝑥 + 𝑄 𝑦 𝑑𝑦 = 0.
Метод решения
න 𝑃 𝑥 𝑑𝑥 + න 𝑄 𝑦 𝑑𝑦 = 0.
Интегрируем уравнение, находим решение,
используя значения табличных интегралов
7.2. C разделяющимися переменными (1 из 4)
11
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Уравнение с разделяющимися переменными (вариант А)
𝑃1 𝑥 𝑄1 𝑦 𝑑𝑥 + 𝑃2 𝑥 𝑄2 𝑦 𝑑𝑦 = 0.
Метод решения
‫׬‬
𝑃1 𝑥
𝑃2 𝑥
𝑑𝑥 + ‫׬‬
𝑄2 𝑦
𝑄1 𝑦
𝑑𝑦 = 0.
Почленно делим на 𝑄1 𝑦 𝑃2 𝑥 ≠ 0 для приведения уравнения
к уравнению с разделенными переменными
Интегрируем, используя
значения табличных интегралов, находим решение
𝑃1 𝑥
𝑃2 𝑥
𝑑𝑥 +
𝑄2 𝑦
𝑄1 𝑦
𝑑𝑦 = 0.
7.2. C разделяющимися переменными (2 из 4)
12
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Замечание
при проведении почленного деления на 𝑄1 𝑦 𝑃2 𝑥 могут
быть потеряны некоторые решения. Поэтому требуется
отдельно решить уравнение 𝑄1 𝑦 𝑃2 𝑥 = 0 и найти особые
решения, которые не могут быть получены из общего.
7.2. C разделяющимися переменными (3 из 4)
13
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Уравнение с разделяющимися переменными (вариант Б)
y′ = 𝑃 𝑥 𝑄 𝑦 .
Метод решения
𝑑𝑦
𝑄 𝑦
= 𝑃 𝑥 𝑑𝑥.
Записываем производную через дифференциалы
Почленно умножаем на dx и делим на 𝑄 𝑦
𝑦′
=
𝑑𝑦
𝑑𝑥
= 𝑃 𝑥 𝑄 𝑦 .
7.2. C разделяющимися переменными (4 из 4)
14
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
න
𝑑𝑦
𝑄 𝑦
= න 𝑃 𝑥 𝑑𝑥 .
Интегрируем, используя
значения табличных интегралов, находим общее решение
Так как было выполнено деление на 𝑄 𝑦 , ищем особое решение
𝑄 𝑦 = 0
и определяем входит ли оно в общее.
7.3. Уравнения, приводящиеся к уравнениям
с разделяющимися переменными (1 из 2)
15
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Приводящиеся к разделяющимися переменным
y′
= 𝑓 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 , b ≠ 0. (5)
Метод решения
Делаем подстановку
𝑢 = 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐,
𝑦 = 𝑦(𝑥), 𝑢 = 𝑢 𝑥 .
Дифференцируем u по х
𝑢′ = 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 ′ = 𝑎 + 𝑏𝑦′. (6)
Делаем подстановку в (6) значения функции (5)
7.3. Уравнения, приводящиеся к уравнениям
с разделяющимися переменными (2 из 2)
16
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
𝑢′ = 𝑎 + 𝑏𝑦′ = 𝑎 + 𝑏𝑓 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 = 𝑎 + 𝑏𝑓 𝑢 .
Или
𝑑𝑢
𝑑𝑥
= 𝑎 + 𝑏𝑓 𝑢 . (7)
Умножим (7) на 𝑑𝑥 и поделим на 𝑎 + 𝑏𝑓 𝑢
𝑑𝑢
𝑎+𝑏𝑓 𝑢
= 𝑑𝑥. (8)
Проинтегрируем (8) и получим общий интеграл
න
𝑑𝑢
𝑎 + 𝑏𝑓 𝑢
= න 𝑑𝑥 = 𝑥 + 𝐶.
Кроме того, необходимо рассмотреть случай 𝑎 + 𝑏𝑓 𝑢 = 0.
7.4. Однородные уравнения (1 из 3)
17
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Однородное дифференциальное уравнение
y′
= 𝑓
𝑦
𝑥
. (9)
Определение того, что уравнение однородное
Делаем подстановку: 𝑥 → 𝑥𝑡, 𝑦 → 𝑦𝑡
𝑦 =
𝑑𝑦
𝑑𝑥
→
𝑑𝑡𝑦
𝑑𝑡𝑥
→
𝑡𝑑𝑦
𝑡𝑑𝑥
=
𝑑𝑦
𝑑𝑥
. (10)
Так как t в (10) сократилось, значит уравнение однородно.
Метод решения
Делаем подстановку
7.4. Однородные уравнения (2 из 3)
18
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
𝑦 = 𝑢𝑥,
𝑦 = 𝑦(𝑥), 𝑢 = 𝑢 𝑥 .
Дифференцируем y по х
𝑦′
= 𝑢𝑥 ′
= 𝑢′
𝑥 + 𝑢𝑥′
= 𝑢′
𝑥 + 𝑢. (11)
Делаем подстановку в (9) найденного значения (11)
𝑦′
= 𝑓
𝑦
𝑥
,
𝑢′ 𝑥 + 𝑢 = 𝑓
𝑦
𝑥
= 𝑓
𝑢𝑥
𝑥
= 𝑓 𝑢 ,
𝑢′ 𝑥 + 𝑢 = 𝑓 𝑢 ,
.
𝑑𝑢
𝑑𝑥
𝑥 = 𝑓 𝑢 − 𝑢, (12)
Умножим (12) на 𝑑𝑥 и поделим на 𝑥(𝑓 𝑢 − 𝑢)
7.4. Однородные уравнения (3 из 3)
19
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
𝑑𝑢
𝑓 𝑢 −𝑢
=
𝑑𝑥
𝑥
. (13)
Проинтегрируем (13) и получим общий интеграл
න
𝑑𝑢
𝑓 𝑢 − 𝑢
= න
𝑑𝑥
𝑥
= ln 𝑥 + ln 𝐶 ,
න
𝑑𝑢
𝑓 𝑢 − 𝑢
= ln 𝐶𝑥 .
Кроме того, необходимо рассмотреть случай 𝑥(𝑓 𝑢 − 𝑢) = 0.
7.5. Приводящиеся к однородным (1 из 2)
20
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Приводящиеся к однородным уравнение
y′
= 𝑓
𝑎𝑥+𝑏𝑦+𝑐
𝑒𝑥+𝑔𝑦+ℎ
. (14)
Определение, что уравнение приводится к однородному
Делаем подстановку: 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 → 𝑡 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 ,
𝑒𝑥 + 𝑔𝑦 + ℎ → 𝑡 𝑒𝑥 + 𝑔𝑦 + ℎ .
Если t в (14) после подстановки сократилось,
значит уравнение приводится к однородному.
Метод решения
Решить систему уравнений
ቊ
𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 = 0,
𝑒𝑥 + 𝑔𝑦 + ℎ = 0.
7.5. Приводящиеся к однородным (2 из 2)
21
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Пусть система имеет решениe 𝑥0, 𝑦0, Тогда
Делаем подстановку 𝑥 = 𝑡 + 𝑥0, 𝑦 = 𝑢 + 𝑦0, где u = u(t). Т 𝐹
𝑢
𝑡
огда
𝑑𝑥 = 𝑑𝑡, 𝑑𝑦 = 𝑑𝑢.
𝑦′ =
𝑑𝑦
𝑑𝑥
=
𝑑𝑢
𝑑𝑡
= 𝑓
𝑎(𝑡+𝑥0)+𝑏(𝑢+𝑦0)+𝑐
𝑒(𝑡+𝑥0)+𝑔(𝑢+𝑦0)+ℎ
,
𝑑𝑢
𝑑𝑡
= 𝑓
𝑎𝑡+𝑏𝑢+𝑎𝑥0+𝑏𝑦0+𝑐
𝑒𝑡+𝑔𝑢+𝑒𝑥0+𝑔𝑦0+ℎ
= 𝑓
𝑎𝑡+𝑏𝑢
𝑒𝑡+𝑔𝑢
= 𝐹
𝑢
𝑡
,
𝑑𝑢
𝑑𝑡
= 𝐹
𝑢
𝑡
.
Делаем подстановку 𝑥 = 𝑡 + 𝑥0, 𝑦 = 𝑢 + 𝑦0, где u = u(t). Тогда с учетом (15)
ቊ
𝑎𝑥0 + 𝑏𝑦0 + 𝑐 = 0,
𝑒𝑥0 + 𝑔𝑦0 + ℎ = 0.
(15)
𝑑𝑢
𝑑𝑡
= 𝐹
𝑢
𝑡
- однородное дифференциальное уравнение 1-го порядка,
решается подстановкой u=zt, z=z(t).
7.6. Однородное обобщенное (1 из 2)
22
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Однородное обобщенное уравнение 1-го порядка
𝑑𝑦
𝑑𝑥
= 𝑥∝−1
∙ 𝑓
𝑦
𝑥∝ , ∝≠ 0 , ∝≠1. (16)
Метод решения
Определение, что уравнение приводится
к обобщенному однородному
Делаем подстановку 𝑦 → 𝑡∝
𝑦, 𝑥 → 𝑡𝑥. Если при подстановки
в (16) можно подобрать такое ∝, что t сокращается, то уравнение
является обобщенным однородным. Далее решается уравнение (16)
с найденным значением ∝.
Делаем подстановку 𝑡 = 𝑥∝, тогда
𝑑𝑡 = 𝑑𝑥∝ = 𝑑𝑥∝ 𝑑𝑥
𝑑𝑥
= 𝑑𝑥∝−1 𝑑𝑥 = ∝ 𝑥∝−1 𝑑𝑥.
7.6. Однородное обобщенное (2 из 2)
23
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Отсюда получаем
𝑑𝑡 = ∝ 𝑥∝−1 𝑑𝑥,
1
𝑑𝑥
= ∝ 𝑥∝−1 1
𝑑𝑡
,
𝑑𝑦
𝑑𝑥
= ∝ 𝑥∝−1 𝑑𝑦
𝑑𝑡
. (17)
Подставляем (17) в (16) с учетом подстановки
∝ 𝑥∝−1 𝑑𝑦
𝑑𝑡
= 𝑥∝−1
∙ 𝑓
𝑦
𝑥∝ = 𝑥∝−1
∙ 𝑓
𝑦
𝑡
,
𝑑𝑦
𝑑𝑡
=
1
∝
𝑓
𝑦
𝑡
. (18)
Уравнение (18) однородное, решается заменой y = zt, z = z(t).
7.7. Метод Лагранжа (1 из 4)
24
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Рассмотрим уравнение
y′
+ 𝑝 𝑥 𝑦 = 𝑞(𝑥). (19)
Метод решения
Ищем решение однородного уравнения (19)
y′
+ 𝑝 𝑥 𝑦 = 0,
𝑑𝑦
𝑑𝑥
+ 𝑝 𝑥 𝑦 = 0. (20)
Умножаем (20) на dx и делим на y
𝑑𝑦
𝑑𝑦
+ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 = 0. (21)
Интегрируем (21)
7.7. Метод Лагранжа (2 из 4)
25
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
න
𝑑𝑦
𝑑𝑦
+ න 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 = С,
ln 𝑦 + න 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 = С,
ln 𝑦 = 𝐶 − ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 . (22)
Потенцируем (22)
𝑦 = 𝑒 𝐶
∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
,
𝑦 = 𝐶 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
. (23)
Заменим в (24) C на функцию от x: 𝐶 → 𝑢 𝑥 , тогда
𝑦 = 𝑢(𝑥) ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
. (24)
7.7. Метод Лагранжа (3 из 4)
26
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Найдем производную для части уравнения (24)
− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
′
= −𝑝 𝑥 ,
𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
′
= 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
∙ − ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
′
= − 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
∙ 𝑝 𝑥 .
Рассчитаем производную от (23) с учетом результатов выше
𝑦′ = 𝑢 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
′
= 𝑢 𝑥 ′ ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
+ 𝑢 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
′
,
𝑦′ = 𝑢 𝑥 ′ ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
− 𝑢 𝑥 ∙ 𝑝 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
. (25)
Подставим (24) и (25) в исходное уравнение (19)
y′
+ 𝑝 𝑥 𝑦 = 𝑞 𝑥 ,
𝑢 𝑥 ′ ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
− 𝑢 𝑥 ∙ 𝑝 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
+ 𝑝 𝑥 ∙ 𝑢 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
= 𝑞 𝑥 ,
𝑢 𝑥 ′
∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
= 𝑞 𝑥 ,
𝑢 𝑥 ′
= 𝑞 𝑥 ∙ 𝑒‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
.
7.7. Метод Лагранжа (4 из 4)
27
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Проинтегрируем найденное значение
𝑢 𝑥 = ‫׬‬ 𝑞 𝑥 ∙ 𝑒‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
+ 𝐶. (26)
Подставим (26) в (24) для получения общего решения
𝑦 = 𝑢 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
,
𝑦 = න 𝑞 𝑥 ∙ 𝑒‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
+ 𝐶 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥
.
7.8. Метод Эйлера k-го порядка
28
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
𝑦𝑙+1 = 𝑦𝑙 + ℎ ሶ𝑦𝑙 +
ℎ2
2
ሷ𝑦𝑙 + ⋯ +
ℎ 𝑘
𝑘!
𝑦𝑙
𝑘
, где
𝑦′ = 𝑓 𝑥, 𝑦 ,
𝑦′′
=
𝜕𝑓 𝑥𝑙, 𝑦𝑙
𝜕𝑥
+
𝜕𝑓 𝑥𝑙, 𝑦𝑙
𝜕𝑦
∙ 𝑓 𝑥𝑙, 𝑦𝑙 ,
Рассмотрим уравнение
y′
= 𝑓 𝑥, 𝑦 , 𝑥0 ≤ 𝑥 ≤ 𝑏, 𝑦(𝑥0) = 𝑦0, ℎ = ℎ0.
Метод решения
Отрезок интегрирования 𝑥0, 𝑏 делим на равные части h
и по значению 𝑦 𝑥0 + 𝑙ℎ = 𝑦𝑙 вычисляем
𝑥𝑙 = 𝑥0 + ℎ𝑙, 𝑙 = 0,1,2, … , 𝑛 − 1,
𝑛 =
𝑏−𝑥0
ℎ
.
используя условия
7.9. Метод Рунге-Кутта 4-го порядка (1 из 2)
𝑦𝑖, 𝑙+1 = 𝑦𝑖, 𝑙 +
ℎ
6
𝑘𝑖1 + 2𝑘𝑖2 + 2𝑘𝑖3 + 𝑘𝑖4 ,
𝑘𝑖1 = 𝑓𝑖 𝑥𝑙, 𝑦1𝑙, 𝑦2𝑙, … , 𝑦 𝑚𝑙 ,
𝑘𝑖2 = 𝑓𝑖 𝑥𝑙 +
ℎ
2
, 𝑦1𝑙 +
ℎ𝑘11
2
, 𝑦2𝑙 +
ℎ𝑘21
2
, … , 𝑦 𝑚𝑙 +
ℎ𝑘𝑙1
2
,
𝑘𝑖3 = 𝑓𝑖 𝑥𝑙 +
ℎ
2
, 𝑦1𝑙 +
ℎ𝑘12
2
, 𝑦2𝑙 +
ℎ𝑘22
2
, … , 𝑦 𝑚𝑙 +
ℎ𝑘𝑙2
2
,
𝑘𝑖4 = 𝑓𝑖 𝑥𝑙 + ℎ, 𝑦1𝑙 + ℎ𝑘13, 𝑦2𝑙 + ℎ𝑘23, … , 𝑦 𝑚𝑙 + ℎ𝑘𝑙3 ,
Рассмотрим уравнение
y′
= 𝑓 𝑥, 𝑦 , 𝑥0 ≤ 𝑥 ≤ 𝑏, 𝑦(𝑥0) = 𝑦0, ℎ = ℎ0.
Метод решения
Отрезок интегрирования 𝑥0, 𝑏 делим на равные части h
и по значению 𝑦 𝑥0 + 𝑙ℎ = 𝑦𝑙 вычисляем
29
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
7.9. Метод Рунге-Кутта 4-го порядка (2 из 2)
𝑥𝑙 = 𝑥0 + ℎ𝑙, 𝑙 = 0,1,2, … , 𝑛 − 1,
𝑛 =
𝑏−𝑥0
ℎ
.
используя условия
30
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
8.1. Функция Odesolve в MathCad
31
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Функция ODESOLVE(𝑥, 𝑥 𝑘, 𝑛)
)▪ используется для решения дифференциальных уравнений в MathCad;
▪ требует записи программного текста, состоящего из 3-х частей:
▪ ключевого слова GIVEN;
▪ дифференциального уравнения и начальных условий;
▪ команды ODESOLVE с указанием параметров:
x – переменная относительно которой решается уравнение,
𝑥 𝑘 – конец интервала интегрирования,
n – число шагов интегрирования,
▪ результат работы ODESOLVE есть массив полученных решений.
8.2. Пример Odesolve в MathCad (1 из 2)
32
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
8.2. Пример Odesolve в MathCad (2 из 2)
33
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
8.3. Функция Rkfixed в MathCad (1 из 2)
34
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
Функция RKFIXED(𝑦, 𝑥a, 𝑥 𝑏, 𝑝, 𝐷)
)▪ используется для решения дифференциальных уравнений в MathCad;
▪ требует записи программного текста, состоящего из 3-х частей:
▪ ключевого слова ORIGIN:=1;
▪ дифференциального уравнения и начальных условий;
▪ команды RKFIXED с указанием параметров:
y – вектор начальных условий,
𝑥 𝑎, 𝑥 𝑏– начало и конец интервала интегрирования,
p – число точек внутри интервала интегрирования для
которых ищется решение дифференциального уравнения,
D – вектор, содержаний производные искомых функций,
▪ результат работы RKFIXED есть матрица из p+1 строк, первый
столбец содержит точки, для которых получено решения,
остальные – сами решения.
8.4. Пример Rkfixed в MathCad
35
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm
9. Список литературы
36
Вся высшая математика. Т 3: Теория рядов, обыкновенные
дифференциальные уравнения, теория устойчивости / Краснов М.Л. и
др. – М.: ЛИБРОКОМ, 2017. – 240 с.
Боярчук А.К., Головач Г.П. Справочное пособие по высшей
математике. Т. 5. Дифференциальные уравнения в примерах и задачах.
Ч. 3. Приближенные методы решения дифференциальных уравнений,
устойчивость, фазовые траектории, метод интегральных преобразований
Лапласа. – М.: ЛЕНАНД, 2018. – 254 с.
Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Нелинейная динамика и хаос:
Основные понятия. – М.: ЛИБРОКОМ, 2018. – 240 с.
Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова
http://stepanovd.com/training/27-dgvm

More Related Content

What's hot

теорема виета
теорема виетатеорема виета
теорема виета
elena_varaksina
 
Презентация на тему: Обзор возможных Исполнителей в заданиях ГИА
Презентация на тему: Обзор возможных Исполнителей в заданиях ГИАПрезентация на тему: Обзор возможных Исполнителей в заданиях ГИА
Презентация на тему: Обзор возможных Исполнителей в заданиях ГИА
2berkas
 
уравнение с двумя переменными презентация
уравнение с двумя переменными презентацияуравнение с двумя переменными презентация
уравнение с двумя переменными презентация
svetlana797
 

What's hot (19)

решение заданий части 2 (c) (222) Vopvet.Ru
решение заданий части 2 (c) (222) Vopvet.Ruрешение заданий части 2 (c) (222) Vopvet.Ru
решение заданий части 2 (c) (222) Vopvet.Ru
 
Egje po matematike_zadaniya_s5
Egje po matematike_zadaniya_s5Egje po matematike_zadaniya_s5
Egje po matematike_zadaniya_s5
 
Yazyk uravnenij
Yazyk uravnenijYazyk uravnenij
Yazyk uravnenij
 
Suprun11 PROBLEMAS MATEMATICAS ESPECIALES 1
Suprun11 PROBLEMAS MATEMATICAS ESPECIALES 1Suprun11 PROBLEMAS MATEMATICAS ESPECIALES 1
Suprun11 PROBLEMAS MATEMATICAS ESPECIALES 1
 
Решение систем логических уравнений, ЕГЭ 23 информатика
Решение систем логических уравнений, ЕГЭ 23 информатикаРешение систем логических уравнений, ЕГЭ 23 информатика
Решение систем логических уравнений, ЕГЭ 23 информатика
 
Линейные многошаговые методы
Линейные многошаговые методыЛинейные многошаговые методы
Линейные многошаговые методы
 
теорема виета
теорема виетатеорема виета
теорема виета
 
РАЦИОНАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ И НЕРАВЕНСТВА
РАЦИОНАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ И НЕРАВЕНСТВАРАЦИОНАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ И НЕРАВЕНСТВА
РАЦИОНАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ И НЕРАВЕНСТВА
 
Funkciya u kh2_ee_svojstva_i_grafik
Funkciya u kh2_ee_svojstva_i_grafikFunkciya u kh2_ee_svojstva_i_grafik
Funkciya u kh2_ee_svojstva_i_grafik
 
Математические основы методов решений систем логических уравнений
Математические основы методов решений систем логических уравненийМатематические основы методов решений систем логических уравнений
Математические основы методов решений систем логических уравнений
 
Презентация на тему: Обзор возможных Исполнителей в заданиях ГИА
Презентация на тему: Обзор возможных Исполнителей в заданиях ГИАПрезентация на тему: Обзор возможных Исполнителей в заданиях ГИА
Презентация на тему: Обзор возможных Исполнителей в заданиях ГИА
 
8 a a_2012
8 a a_20128 a a_2012
8 a a_2012
 
уравнение с двумя переменными презентация
уравнение с двумя переменными презентацияуравнение с двумя переменными презентация
уравнение с двумя переменными презентация
 
Лекции по дискретной математике
Лекции по дискретной математикеЛекции по дискретной математике
Лекции по дискретной математике
 
Сложение отрицательных чисел
Сложение отрицательных чиселСложение отрицательных чисел
Сложение отрицательных чисел
 
Разложение на множители
Разложение на множителиРазложение на множители
Разложение на множители
 
Лекция №2 "Задача кластеризации и ЕМ-алгоритм"
Лекция №2 "Задача кластеризации и ЕМ-алгоритм"Лекция №2 "Задача кластеризации и ЕМ-алгоритм"
Лекция №2 "Задача кластеризации и ЕМ-алгоритм"
 
Naturalnye logarifmy
Naturalnye logarifmyNaturalnye logarifmy
Naturalnye logarifmy
 
Урок математики в 6 классе "Наибольший общий делитель"
Урок математики в 6 классе "Наибольший общий делитель"Урок математики в 6 классе "Наибольший общий делитель"
Урок математики в 6 классе "Наибольший общий делитель"
 

Similar to Курс "Дифференциальные уравнения первого порядка"

Лекция 11: Методы разработки алгоритмов
Лекция 11: Методы разработки алгоритмовЛекция 11: Методы разработки алгоритмов
Лекция 11: Методы разработки алгоритмов
Mikhail Kurnosov
 
теорема виета 2012
теорема виета 2012теорема виета 2012
теорема виета 2012
elena_varaksina
 
20100927 28 reqformalization-kuliamin
20100927 28 reqformalization-kuliamin20100927 28 reqformalization-kuliamin
20100927 28 reqformalization-kuliamin
Computer Science Club
 
Решение уравнений высших степеней.pptx d
Решение уравнений высших степеней.pptx dРешение уравнений высших степеней.pptx d
Решение уравнений высших степеней.pptx d
aynuramuxiyatdinova1
 

Similar to Курс "Дифференциальные уравнения первого порядка" (20)

Primenenie svojstv funkcij_k_resheniyu_uravnenij_i
Primenenie svojstv funkcij_k_resheniyu_uravnenij_iPrimenenie svojstv funkcij_k_resheniyu_uravnenij_i
Primenenie svojstv funkcij_k_resheniyu_uravnenij_i
 
Тренинг "Введение в дополнительные главы высшей математики"
Тренинг "Введение в дополнительные главы высшей математики"Тренинг "Введение в дополнительные главы высшей математики"
Тренинг "Введение в дополнительные главы высшей математики"
 
1827 огэ-2016. математика. трен. задания мирошин в.в-2015 -96с
1827  огэ-2016. математика. трен. задания мирошин в.в-2015 -96с1827  огэ-2016. математика. трен. задания мирошин в.в-2015 -96с
1827 огэ-2016. математика. трен. задания мирошин в.в-2015 -96с
 
Решение системы линейных уравнений с двумя переменными графическим способом.pptx
Решение системы линейных уравнений с двумя переменными графическим способом.pptxРешение системы линейных уравнений с двумя переменными графическим способом.pptx
Решение системы линейных уравнений с двумя переменными графическим способом.pptx
 
Metody resheniya neravenstv_s_odnoj_peremennoj_zad
Metody resheniya neravenstv_s_odnoj_peremennoj_zadMetody resheniya neravenstv_s_odnoj_peremennoj_zad
Metody resheniya neravenstv_s_odnoj_peremennoj_zad
 
ТФРВС - весна 2014 - лекция 10
ТФРВС - весна 2014 - лекция 10ТФРВС - весна 2014 - лекция 10
ТФРВС - весна 2014 - лекция 10
 
8
88
8
 
lab1 math computational
lab1 math computationallab1 math computational
lab1 math computational
 
1555 показательн. и логарифмич. функции в зад. и примерах власова а.п. и др-...
1555  показательн. и логарифмич. функции в зад. и примерах власова а.п. и др-...1555  показательн. и логарифмич. функции в зад. и примерах власова а.п. и др-...
1555 показательн. и логарифмич. функции в зад. и примерах власова а.п. и др-...
 
Лекция 11: Методы разработки алгоритмов
Лекция 11: Методы разработки алгоритмовЛекция 11: Методы разработки алгоритмов
Лекция 11: Методы разработки алгоритмов
 
Trigonometricheskie uravneniya
Trigonometricheskie uravneniyaTrigonometricheskie uravneniya
Trigonometricheskie uravneniya
 
Matanal 31oct
Matanal 31octMatanal 31oct
Matanal 31oct
 
Neravenstva i ih_resheniya
Neravenstva i ih_resheniyaNeravenstva i ih_resheniya
Neravenstva i ih_resheniya
 
теорема виета 2012
теорема виета 2012теорема виета 2012
теорема виета 2012
 
лекция 11
лекция 11лекция 11
лекция 11
 
мат ралли для блога
мат ралли для блогамат ралли для блога
мат ралли для блога
 
20100927 28 reqformalization-kuliamin
20100927 28 reqformalization-kuliamin20100927 28 reqformalization-kuliamin
20100927 28 reqformalization-kuliamin
 
7 gdz a_b_ru
7 gdz a_b_ru7 gdz a_b_ru
7 gdz a_b_ru
 
Решение уравнений высших степеней.pptx d
Решение уравнений высших степеней.pptx dРешение уравнений высших степеней.pptx d
Решение уравнений высших степеней.pptx d
 
Лекция 11. Методы разработки алгоритмов
Лекция 11. Методы разработки алгоритмовЛекция 11. Методы разработки алгоритмов
Лекция 11. Методы разработки алгоритмов
 

More from ph.d. Dmitry Stepanov

Учет льготных кредитов МСП и настройка его детализации в информационной систе...
Учет льготных кредитов МСП и настройка его детализации в информационной систе...Учет льготных кредитов МСП и настройка его детализации в информационной систе...
Учет льготных кредитов МСП и настройка его детализации в информационной систе...
ph.d. Dmitry Stepanov
 

More from ph.d. Dmitry Stepanov (20)

Учет расчетов: форс-мажор
Учет расчетов: форс-мажорУчет расчетов: форс-мажор
Учет расчетов: форс-мажор
 
Стратегия тестирования в проектах имплементации ERP-систем
Стратегия тестирования в проектах имплементации ERP-системСтратегия тестирования в проектах имплементации ERP-систем
Стратегия тестирования в проектах имплементации ERP-систем
 
Автоматизация подбора лекарственных препаратов.
Автоматизация подбора лекарственных препаратов.Автоматизация подбора лекарственных препаратов.
Автоматизация подбора лекарственных препаратов.
 
Стартапы
СтартапыСтартапы
Стартапы
 
Критическое мышление как база оптимального решения при внедрении корпоративны...
Критическое мышление как база оптимального решения при внедрении корпоративны...Критическое мышление как база оптимального решения при внедрении корпоративны...
Критическое мышление как база оптимального решения при внедрении корпоративны...
 
Годовой бухгалтерский отчет организации за 2021 год
Годовой бухгалтерский отчет организации за 2021 годГодовой бухгалтерский отчет организации за 2021 год
Годовой бухгалтерский отчет организации за 2021 год
 
Soft skills в проектах внедрения корпоративных информационных систем
Soft skills в проектах внедрения корпоративных информационных системSoft skills в проектах внедрения корпоративных информационных систем
Soft skills в проектах внедрения корпоративных информационных систем
 
Банкротство юридического лица: процедуры и учет на этапе конкурсного производ...
Банкротство юридического лица: процедуры и учет на этапе конкурсного производ...Банкротство юридического лица: процедуры и учет на этапе конкурсного производ...
Банкротство юридического лица: процедуры и учет на этапе конкурсного производ...
 
Банкротство юридического лица: процедуры и учет на этапе конкурсного производ...
Банкротство юридического лица: процедуры и учет на этапе конкурсного производ...Банкротство юридического лица: процедуры и учет на этапе конкурсного производ...
Банкротство юридического лица: процедуры и учет на этапе конкурсного производ...
 
Обзор существующих методик технического обслуживания и ремонта оборудования
Обзор существующих методик технического обслуживания и ремонта оборудованияОбзор существующих методик технического обслуживания и ремонта оборудования
Обзор существующих методик технического обслуживания и ремонта оборудования
 
Сторителлинг как новая технология подачи информации
Сторителлинг как новая технология подачи информацииСторителлинг как новая технология подачи информации
Сторителлинг как новая технология подачи информации
 
Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в КИС (част...
Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в КИС (част...Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в КИС (част...
Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в КИС (част...
 
Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в КИС (част...
Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в КИС (част...Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в КИС (част...
Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в КИС (част...
 
Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в корпорати...
Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в корпорати...Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в корпорати...
Концепции, методы и способы миграции основных и переменных данных в корпорати...
 
Применение спиралевидной модели внедрения для роботизации больницы.
Применение спиралевидной модели внедрения для роботизации больницы.Применение спиралевидной модели внедрения для роботизации больницы.
Применение спиралевидной модели внедрения для роботизации больницы.
 
Краткий обзор изменений в правовом регулировании информационных систем и техн...
Краткий обзор изменений в правовом регулировании информационных систем и техн...Краткий обзор изменений в правовом регулировании информационных систем и техн...
Краткий обзор изменений в правовом регулировании информационных систем и техн...
 
Учет льготных кредитов МСП и настройка его детализации в информационной систе...
Учет льготных кредитов МСП и настройка его детализации в информационной систе...Учет льготных кредитов МСП и настройка его детализации в информационной систе...
Учет льготных кредитов МСП и настройка его детализации в информационной систе...
 
Применение Agile Scrum для реализации автоматизированного рабочего места врач...
Применение Agile Scrum для реализации автоматизированного рабочего места врач...Применение Agile Scrum для реализации автоматизированного рабочего места врач...
Применение Agile Scrum для реализации автоматизированного рабочего места врач...
 
Применение Agile Scrum для реализации автоматизированного рабочего места врач...
Применение Agile Scrum для реализации автоматизированного рабочего места врач...Применение Agile Scrum для реализации автоматизированного рабочего места врач...
Применение Agile Scrum для реализации автоматизированного рабочего места врач...
 
Исследование и разработка проекта процессной информационной системы управлени...
Исследование и разработка проекта процессной информационной системы управлени...Исследование и разработка проекта процессной информационной системы управлени...
Исследование и разработка проекта процессной информационной системы управлени...
 

Курс "Дифференциальные уравнения первого порядка"

  • 1. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ГЛАВЫ ВЫСШЕЙ МАТЕМАТИКИ ГЛАВА 1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ПЕРВОГО ПОРЯДКА РОССИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МИРЭА Москва – 2018 Работа посвящена моделированию динамических систем с использованием элементов высшей математики Автор: Степанов Дмитрий Юрьевич к.т.н., доц. МИРЭА Контакты: http://stepanovd.com/training/27-dgvm mail@stepanovd.com
  • 2. 1. Оглавление 2 Общий вид уравнения, виды уравнений, общее и частное решение Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Виды уравнений и способы их решения Численные методы решения уравнений Примеры решения уравнений в среде MathCad Интегральная кривая, задача Коши Функции решения уравнений в MathCad
  • 3. 2. Общий вид уравнения n-го порядка 3 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm 𝑭 𝒙, 𝒚, 𝒚′, . . , 𝒚(𝒏) = 𝟎 (1) где 𝑭 – некоторая функция от n+2 переменных, n≥1, x – независимая переменная, y(x) – искомая функция, 𝒚′ 𝒙 , … , 𝒚 𝒏 (𝒙) – ее производные. Дифференциальное уравнение n-го порядка уравнение, связывающее независимую переменную x с неизвестной функцией y(x) и ее производными до некоторого порядка n включительно.
  • 4. 3. Обыкновенные и уравнения в производных 4 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Обыкновенное В частных производных искомая функция зависит от одной переменной искомая функция зависит от нескольких переменных Дифференциальное уравнение
  • 5. 4. Решение уравнения, интегральная кривая 5 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Задача интегрирования есть задача о нахождении решения некоторого дифференциального уравнения. Решение дифференциального уравнения называется функция y(x), имеющая производные до n-го порядка включительно, и такая, что ее подстановка в уравнение (1) обращает его в тождество. Интегральная кривая есть график решения дифференциального уравнения.
  • 6. 5. Общее и частное решения 6 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Общее решение дифференциального уравнения (1) n-го порядка такое его решение 𝑦 = 𝜑(𝑥, 𝑐1, 𝑐2, . . , 𝑐 𝑛 ) (2) которое является функцией переменной x и n произвольных независимых 𝑐1, 𝑐2, . . , 𝑐 𝑛. Уравнение (1) имеет бесконечное множество решений (2). Частное решение дифференциального уравнения (1) требует задания начальных условий: 𝑦(𝑥0) = 𝑥0, 𝑦′(𝑥0) = 𝑥0 1 , … (3) 𝑦(𝑛−1) (𝑥0) = 𝑥0 (𝑛−1) . Задача Коши отыскание решения уравнения (1), удовлетворяющего начальному условию (3).
  • 7. 6. Теорема Коши и интерпретация (1 из 2) 7 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Теорема о существовании и единственности решения задачи Коши если в уравнении y′ = 𝑓 𝑥, 𝑦 функция 𝑓 𝑥, 𝑦 и ее частная производная 𝑓′ 𝑦 𝑥, 𝑦 непрерывна в некоторой области D, содержащей точку 𝑥0, 𝑦0 , то существует единственное решение 𝑦 = 𝜑(𝑥) этого уравнения, удовлетворяющее начальному условию 𝑦(𝑥0) = 𝑥0. Геометрическая интерпретация теоремы Коши при выполнении условий теоремы существует единственная интегральная кривая дифференциального уравнения, проходящая через точку 𝑥0, 𝑦0 .
  • 8. 6. Теорема Коши и интерпретация (2 из 2) 8 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm X Y
  • 9. 7. Виды уравнений и способы их решения 9 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Решение на основе численного метода Рунге-Кутта Приводящиеся к уравнению с разделяющимися переменными Однородные Решение на основе численного метода Эйлера Обобщенные однородные Линейные уравнения на основе метода Лагранжа С разделяющимися переменными С разделенными переменными
  • 10. 7.1. C разделенными переменными 10 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Уравнение с разделенными переменными 𝑃 𝑥 𝑑𝑥 + 𝑄 𝑦 𝑑𝑦 = 0. Метод решения න 𝑃 𝑥 𝑑𝑥 + න 𝑄 𝑦 𝑑𝑦 = 0. Интегрируем уравнение, находим решение, используя значения табличных интегралов
  • 11. 7.2. C разделяющимися переменными (1 из 4) 11 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Уравнение с разделяющимися переменными (вариант А) 𝑃1 𝑥 𝑄1 𝑦 𝑑𝑥 + 𝑃2 𝑥 𝑄2 𝑦 𝑑𝑦 = 0. Метод решения ‫׬‬ 𝑃1 𝑥 𝑃2 𝑥 𝑑𝑥 + ‫׬‬ 𝑄2 𝑦 𝑄1 𝑦 𝑑𝑦 = 0. Почленно делим на 𝑄1 𝑦 𝑃2 𝑥 ≠ 0 для приведения уравнения к уравнению с разделенными переменными Интегрируем, используя значения табличных интегралов, находим решение 𝑃1 𝑥 𝑃2 𝑥 𝑑𝑥 + 𝑄2 𝑦 𝑄1 𝑦 𝑑𝑦 = 0.
  • 12. 7.2. C разделяющимися переменными (2 из 4) 12 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Замечание при проведении почленного деления на 𝑄1 𝑦 𝑃2 𝑥 могут быть потеряны некоторые решения. Поэтому требуется отдельно решить уравнение 𝑄1 𝑦 𝑃2 𝑥 = 0 и найти особые решения, которые не могут быть получены из общего.
  • 13. 7.2. C разделяющимися переменными (3 из 4) 13 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Уравнение с разделяющимися переменными (вариант Б) y′ = 𝑃 𝑥 𝑄 𝑦 . Метод решения 𝑑𝑦 𝑄 𝑦 = 𝑃 𝑥 𝑑𝑥. Записываем производную через дифференциалы Почленно умножаем на dx и делим на 𝑄 𝑦 𝑦′ = 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑃 𝑥 𝑄 𝑦 .
  • 14. 7.2. C разделяющимися переменными (4 из 4) 14 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm න 𝑑𝑦 𝑄 𝑦 = න 𝑃 𝑥 𝑑𝑥 . Интегрируем, используя значения табличных интегралов, находим общее решение Так как было выполнено деление на 𝑄 𝑦 , ищем особое решение 𝑄 𝑦 = 0 и определяем входит ли оно в общее.
  • 15. 7.3. Уравнения, приводящиеся к уравнениям с разделяющимися переменными (1 из 2) 15 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Приводящиеся к разделяющимися переменным y′ = 𝑓 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 , b ≠ 0. (5) Метод решения Делаем подстановку 𝑢 = 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐, 𝑦 = 𝑦(𝑥), 𝑢 = 𝑢 𝑥 . Дифференцируем u по х 𝑢′ = 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 ′ = 𝑎 + 𝑏𝑦′. (6) Делаем подстановку в (6) значения функции (5)
  • 16. 7.3. Уравнения, приводящиеся к уравнениям с разделяющимися переменными (2 из 2) 16 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm 𝑢′ = 𝑎 + 𝑏𝑦′ = 𝑎 + 𝑏𝑓 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 = 𝑎 + 𝑏𝑓 𝑢 . Или 𝑑𝑢 𝑑𝑥 = 𝑎 + 𝑏𝑓 𝑢 . (7) Умножим (7) на 𝑑𝑥 и поделим на 𝑎 + 𝑏𝑓 𝑢 𝑑𝑢 𝑎+𝑏𝑓 𝑢 = 𝑑𝑥. (8) Проинтегрируем (8) и получим общий интеграл න 𝑑𝑢 𝑎 + 𝑏𝑓 𝑢 = න 𝑑𝑥 = 𝑥 + 𝐶. Кроме того, необходимо рассмотреть случай 𝑎 + 𝑏𝑓 𝑢 = 0.
  • 17. 7.4. Однородные уравнения (1 из 3) 17 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Однородное дифференциальное уравнение y′ = 𝑓 𝑦 𝑥 . (9) Определение того, что уравнение однородное Делаем подстановку: 𝑥 → 𝑥𝑡, 𝑦 → 𝑦𝑡 𝑦 = 𝑑𝑦 𝑑𝑥 → 𝑑𝑡𝑦 𝑑𝑡𝑥 → 𝑡𝑑𝑦 𝑡𝑑𝑥 = 𝑑𝑦 𝑑𝑥 . (10) Так как t в (10) сократилось, значит уравнение однородно. Метод решения Делаем подстановку
  • 18. 7.4. Однородные уравнения (2 из 3) 18 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm 𝑦 = 𝑢𝑥, 𝑦 = 𝑦(𝑥), 𝑢 = 𝑢 𝑥 . Дифференцируем y по х 𝑦′ = 𝑢𝑥 ′ = 𝑢′ 𝑥 + 𝑢𝑥′ = 𝑢′ 𝑥 + 𝑢. (11) Делаем подстановку в (9) найденного значения (11) 𝑦′ = 𝑓 𝑦 𝑥 , 𝑢′ 𝑥 + 𝑢 = 𝑓 𝑦 𝑥 = 𝑓 𝑢𝑥 𝑥 = 𝑓 𝑢 , 𝑢′ 𝑥 + 𝑢 = 𝑓 𝑢 , . 𝑑𝑢 𝑑𝑥 𝑥 = 𝑓 𝑢 − 𝑢, (12) Умножим (12) на 𝑑𝑥 и поделим на 𝑥(𝑓 𝑢 − 𝑢)
  • 19. 7.4. Однородные уравнения (3 из 3) 19 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm 𝑑𝑢 𝑓 𝑢 −𝑢 = 𝑑𝑥 𝑥 . (13) Проинтегрируем (13) и получим общий интеграл න 𝑑𝑢 𝑓 𝑢 − 𝑢 = න 𝑑𝑥 𝑥 = ln 𝑥 + ln 𝐶 , න 𝑑𝑢 𝑓 𝑢 − 𝑢 = ln 𝐶𝑥 . Кроме того, необходимо рассмотреть случай 𝑥(𝑓 𝑢 − 𝑢) = 0.
  • 20. 7.5. Приводящиеся к однородным (1 из 2) 20 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Приводящиеся к однородным уравнение y′ = 𝑓 𝑎𝑥+𝑏𝑦+𝑐 𝑒𝑥+𝑔𝑦+ℎ . (14) Определение, что уравнение приводится к однородному Делаем подстановку: 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 → 𝑡 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 , 𝑒𝑥 + 𝑔𝑦 + ℎ → 𝑡 𝑒𝑥 + 𝑔𝑦 + ℎ . Если t в (14) после подстановки сократилось, значит уравнение приводится к однородному. Метод решения Решить систему уравнений ቊ 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 = 0, 𝑒𝑥 + 𝑔𝑦 + ℎ = 0.
  • 21. 7.5. Приводящиеся к однородным (2 из 2) 21 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Пусть система имеет решениe 𝑥0, 𝑦0, Тогда Делаем подстановку 𝑥 = 𝑡 + 𝑥0, 𝑦 = 𝑢 + 𝑦0, где u = u(t). Т 𝐹 𝑢 𝑡 огда 𝑑𝑥 = 𝑑𝑡, 𝑑𝑦 = 𝑑𝑢. 𝑦′ = 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 𝑑𝑡 = 𝑓 𝑎(𝑡+𝑥0)+𝑏(𝑢+𝑦0)+𝑐 𝑒(𝑡+𝑥0)+𝑔(𝑢+𝑦0)+ℎ , 𝑑𝑢 𝑑𝑡 = 𝑓 𝑎𝑡+𝑏𝑢+𝑎𝑥0+𝑏𝑦0+𝑐 𝑒𝑡+𝑔𝑢+𝑒𝑥0+𝑔𝑦0+ℎ = 𝑓 𝑎𝑡+𝑏𝑢 𝑒𝑡+𝑔𝑢 = 𝐹 𝑢 𝑡 , 𝑑𝑢 𝑑𝑡 = 𝐹 𝑢 𝑡 . Делаем подстановку 𝑥 = 𝑡 + 𝑥0, 𝑦 = 𝑢 + 𝑦0, где u = u(t). Тогда с учетом (15) ቊ 𝑎𝑥0 + 𝑏𝑦0 + 𝑐 = 0, 𝑒𝑥0 + 𝑔𝑦0 + ℎ = 0. (15) 𝑑𝑢 𝑑𝑡 = 𝐹 𝑢 𝑡 - однородное дифференциальное уравнение 1-го порядка, решается подстановкой u=zt, z=z(t).
  • 22. 7.6. Однородное обобщенное (1 из 2) 22 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Однородное обобщенное уравнение 1-го порядка 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑥∝−1 ∙ 𝑓 𝑦 𝑥∝ , ∝≠ 0 , ∝≠1. (16) Метод решения Определение, что уравнение приводится к обобщенному однородному Делаем подстановку 𝑦 → 𝑡∝ 𝑦, 𝑥 → 𝑡𝑥. Если при подстановки в (16) можно подобрать такое ∝, что t сокращается, то уравнение является обобщенным однородным. Далее решается уравнение (16) с найденным значением ∝. Делаем подстановку 𝑡 = 𝑥∝, тогда 𝑑𝑡 = 𝑑𝑥∝ = 𝑑𝑥∝ 𝑑𝑥 𝑑𝑥 = 𝑑𝑥∝−1 𝑑𝑥 = ∝ 𝑥∝−1 𝑑𝑥.
  • 23. 7.6. Однородное обобщенное (2 из 2) 23 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Отсюда получаем 𝑑𝑡 = ∝ 𝑥∝−1 𝑑𝑥, 1 𝑑𝑥 = ∝ 𝑥∝−1 1 𝑑𝑡 , 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = ∝ 𝑥∝−1 𝑑𝑦 𝑑𝑡 . (17) Подставляем (17) в (16) с учетом подстановки ∝ 𝑥∝−1 𝑑𝑦 𝑑𝑡 = 𝑥∝−1 ∙ 𝑓 𝑦 𝑥∝ = 𝑥∝−1 ∙ 𝑓 𝑦 𝑡 , 𝑑𝑦 𝑑𝑡 = 1 ∝ 𝑓 𝑦 𝑡 . (18) Уравнение (18) однородное, решается заменой y = zt, z = z(t).
  • 24. 7.7. Метод Лагранжа (1 из 4) 24 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Рассмотрим уравнение y′ + 𝑝 𝑥 𝑦 = 𝑞(𝑥). (19) Метод решения Ищем решение однородного уравнения (19) y′ + 𝑝 𝑥 𝑦 = 0, 𝑑𝑦 𝑑𝑥 + 𝑝 𝑥 𝑦 = 0. (20) Умножаем (20) на dx и делим на y 𝑑𝑦 𝑑𝑦 + 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 = 0. (21) Интегрируем (21)
  • 25. 7.7. Метод Лагранжа (2 из 4) 25 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm න 𝑑𝑦 𝑑𝑦 + න 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 = С, ln 𝑦 + න 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 = С, ln 𝑦 = 𝐶 − ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 . (22) Потенцируем (22) 𝑦 = 𝑒 𝐶 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 , 𝑦 = 𝐶 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 . (23) Заменим в (24) C на функцию от x: 𝐶 → 𝑢 𝑥 , тогда 𝑦 = 𝑢(𝑥) ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 . (24)
  • 26. 7.7. Метод Лагранжа (3 из 4) 26 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Найдем производную для части уравнения (24) − ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 ′ = −𝑝 𝑥 , 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 ′ = 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 ∙ − ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 ′ = − 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 ∙ 𝑝 𝑥 . Рассчитаем производную от (23) с учетом результатов выше 𝑦′ = 𝑢 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 ′ = 𝑢 𝑥 ′ ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 + 𝑢 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 ′ , 𝑦′ = 𝑢 𝑥 ′ ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 − 𝑢 𝑥 ∙ 𝑝 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 . (25) Подставим (24) и (25) в исходное уравнение (19) y′ + 𝑝 𝑥 𝑦 = 𝑞 𝑥 , 𝑢 𝑥 ′ ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 − 𝑢 𝑥 ∙ 𝑝 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 + 𝑝 𝑥 ∙ 𝑢 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 = 𝑞 𝑥 , 𝑢 𝑥 ′ ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 = 𝑞 𝑥 , 𝑢 𝑥 ′ = 𝑞 𝑥 ∙ 𝑒‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 .
  • 27. 7.7. Метод Лагранжа (4 из 4) 27 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Проинтегрируем найденное значение 𝑢 𝑥 = ‫׬‬ 𝑞 𝑥 ∙ 𝑒‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 + 𝐶. (26) Подставим (26) в (24) для получения общего решения 𝑦 = 𝑢 𝑥 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 , 𝑦 = න 𝑞 𝑥 ∙ 𝑒‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 + 𝐶 ∙ 𝑒− ‫׬‬ 𝑝 𝑥 𝑑𝑥 .
  • 28. 7.8. Метод Эйлера k-го порядка 28 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm 𝑦𝑙+1 = 𝑦𝑙 + ℎ ሶ𝑦𝑙 + ℎ2 2 ሷ𝑦𝑙 + ⋯ + ℎ 𝑘 𝑘! 𝑦𝑙 𝑘 , где 𝑦′ = 𝑓 𝑥, 𝑦 , 𝑦′′ = 𝜕𝑓 𝑥𝑙, 𝑦𝑙 𝜕𝑥 + 𝜕𝑓 𝑥𝑙, 𝑦𝑙 𝜕𝑦 ∙ 𝑓 𝑥𝑙, 𝑦𝑙 , Рассмотрим уравнение y′ = 𝑓 𝑥, 𝑦 , 𝑥0 ≤ 𝑥 ≤ 𝑏, 𝑦(𝑥0) = 𝑦0, ℎ = ℎ0. Метод решения Отрезок интегрирования 𝑥0, 𝑏 делим на равные части h и по значению 𝑦 𝑥0 + 𝑙ℎ = 𝑦𝑙 вычисляем 𝑥𝑙 = 𝑥0 + ℎ𝑙, 𝑙 = 0,1,2, … , 𝑛 − 1, 𝑛 = 𝑏−𝑥0 ℎ . используя условия
  • 29. 7.9. Метод Рунге-Кутта 4-го порядка (1 из 2) 𝑦𝑖, 𝑙+1 = 𝑦𝑖, 𝑙 + ℎ 6 𝑘𝑖1 + 2𝑘𝑖2 + 2𝑘𝑖3 + 𝑘𝑖4 , 𝑘𝑖1 = 𝑓𝑖 𝑥𝑙, 𝑦1𝑙, 𝑦2𝑙, … , 𝑦 𝑚𝑙 , 𝑘𝑖2 = 𝑓𝑖 𝑥𝑙 + ℎ 2 , 𝑦1𝑙 + ℎ𝑘11 2 , 𝑦2𝑙 + ℎ𝑘21 2 , … , 𝑦 𝑚𝑙 + ℎ𝑘𝑙1 2 , 𝑘𝑖3 = 𝑓𝑖 𝑥𝑙 + ℎ 2 , 𝑦1𝑙 + ℎ𝑘12 2 , 𝑦2𝑙 + ℎ𝑘22 2 , … , 𝑦 𝑚𝑙 + ℎ𝑘𝑙2 2 , 𝑘𝑖4 = 𝑓𝑖 𝑥𝑙 + ℎ, 𝑦1𝑙 + ℎ𝑘13, 𝑦2𝑙 + ℎ𝑘23, … , 𝑦 𝑚𝑙 + ℎ𝑘𝑙3 , Рассмотрим уравнение y′ = 𝑓 𝑥, 𝑦 , 𝑥0 ≤ 𝑥 ≤ 𝑏, 𝑦(𝑥0) = 𝑦0, ℎ = ℎ0. Метод решения Отрезок интегрирования 𝑥0, 𝑏 делим на равные части h и по значению 𝑦 𝑥0 + 𝑙ℎ = 𝑦𝑙 вычисляем 29 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm
  • 30. 7.9. Метод Рунге-Кутта 4-го порядка (2 из 2) 𝑥𝑙 = 𝑥0 + ℎ𝑙, 𝑙 = 0,1,2, … , 𝑛 − 1, 𝑛 = 𝑏−𝑥0 ℎ . используя условия 30 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm
  • 31. 8.1. Функция Odesolve в MathCad 31 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Функция ODESOLVE(𝑥, 𝑥 𝑘, 𝑛) )▪ используется для решения дифференциальных уравнений в MathCad; ▪ требует записи программного текста, состоящего из 3-х частей: ▪ ключевого слова GIVEN; ▪ дифференциального уравнения и начальных условий; ▪ команды ODESOLVE с указанием параметров: x – переменная относительно которой решается уравнение, 𝑥 𝑘 – конец интервала интегрирования, n – число шагов интегрирования, ▪ результат работы ODESOLVE есть массив полученных решений.
  • 32. 8.2. Пример Odesolve в MathCad (1 из 2) 32 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm
  • 33. 8.2. Пример Odesolve в MathCad (2 из 2) 33 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm
  • 34. 8.3. Функция Rkfixed в MathCad (1 из 2) 34 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm Функция RKFIXED(𝑦, 𝑥a, 𝑥 𝑏, 𝑝, 𝐷) )▪ используется для решения дифференциальных уравнений в MathCad; ▪ требует записи программного текста, состоящего из 3-х частей: ▪ ключевого слова ORIGIN:=1; ▪ дифференциального уравнения и начальных условий; ▪ команды RKFIXED с указанием параметров: y – вектор начальных условий, 𝑥 𝑎, 𝑥 𝑏– начало и конец интервала интегрирования, p – число точек внутри интервала интегрирования для которых ищется решение дифференциального уравнения, D – вектор, содержаний производные искомых функций, ▪ результат работы RKFIXED есть матрица из p+1 строк, первый столбец содержит точки, для которых получено решения, остальные – сами решения.
  • 35. 8.4. Пример Rkfixed в MathCad 35 Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm
  • 36. 9. Список литературы 36 Вся высшая математика. Т 3: Теория рядов, обыкновенные дифференциальные уравнения, теория устойчивости / Краснов М.Л. и др. – М.: ЛИБРОКОМ, 2017. – 240 с. Боярчук А.К., Головач Г.П. Справочное пособие по высшей математике. Т. 5. Дифференциальные уравнения в примерах и задачах. Ч. 3. Приближенные методы решения дифференциальных уравнений, устойчивость, фазовые траектории, метод интегральных преобразований Лапласа. – М.: ЛЕНАНД, 2018. – 254 с. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Нелинейная динамика и хаос: Основные понятия. – М.: ЛИБРОКОМ, 2018. – 240 с. Все права защищены © 2018. Официальный сайт Дмитрия Степанова http://stepanovd.com/training/27-dgvm