Дифференциальные уравнения n-го порядка

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.ВВЕДЕНИЕ 2

2.ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ N-ГО ПОРЯДКА. 3

3.ЛИНЕЙНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ N-ГО ПОРЯДКА. 6

3.1.ОДНОРОДНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ N-ГО ПОРЯДКА. 6

3.2.ЛИНЕЙНЫЕ ОДНОРОДНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ. 7

3.3.ЛИНЕЙНЫЕ НЕОДНОРОДНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ. 11

3.4.МЕТОД ВАРИАЦИИ ПРОИЗВОЛЬНЫХ ПОСТОЯННЫХ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ КОШИ ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО НЕОДНОРОДНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ 15

3.5.ЛИНЕЙНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ N-ГО ПОРЯДКА С ПЕРЕМЕННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ. 17

3.6.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, ДОПУСКАЮЩИЕ ПОНИЖЕНИЕ ПОРЯДКА 18

Уравнение, не содержащее в явном виде неизвестную функцию и её младшие производные. 19

Уравнение, не содержащее в явном виде независимую переменную x. 20

4.НЕЛИНЕЙНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ. 22

   4.1.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ В ЧАСТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ. 23

5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25

6.   ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ 26

Введение

Эффективное решение задач  во многих областях  невозможно без  описания их дифференциальными уравнениями  различного порядка. Для получения  результатов необходимы доступные  и проверенные методы решения  дифференциальных уравнений. Особое место  занимают дифференциальные уравнения n-го порядка, поэтому тема курсовой работы представляет интерес и является актуальной.

Целью данной работы является описание методов решения дифференциальных уравнений n-го порядка с предварительной классификацией по видам уравнений.

Для достижения поставленной цели в рамках работы необходимо решить следующие задачи:

 

1. Провести анализ существующих источников и привести определения и теоретические сведения по дифференциальным уравнениям n-го порядка.
2. На основе проведенного анализа описать методы решений уравнений с наглядными примерами решений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОБЫКНОВЕННЫЕ  ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ N-ГО ПОРЯДКА.

Обыкновенным дифференциальным уравнением n-го порядка называется уравнение вида 
F(x, y, y', y'', ..., y⁽ⁿ⁾) = 0,  
где F - известная функция (n+2) переменных, определенная в области D М Rⁿ⁺², x - независимая переменная из интервала (a, b), y = y(x) - неизвестная функция, n - порядок уравнения.

Пример 1. Уравнение движения материальной точки.

Движение материальной точки  массы m под действием внешних сил F описывается вторым законом Ньютона ma = F .  
Пусть точка движется по оси 0x , тогда функция x = x(t) — абсцисса точки в момент времени t , удовлетворяет обыкновенному дифференциальному уравнению 2-го порядка mx'' = F(t, x, x'). 
Например, уравнение 
x'' + w²x=0 
— уравнение гармонического осциллятора, описывает периодические колебания материальной точки с периодом T=2p/w.

Пример 2. Уравнение изменения объема производства в замкнутой экономической системе.

Изменение объема производства в некоторой замкнутой экономической  системе описывает дифференциальное уравнение второго порядка 
y''+2|k|y'+w²y=0.  
В замкнутой экономической системе нет экспорта, импорта и притока капитала извне. Уравнение описывает поведение разности 
y(x)=Y(x)-G/s 
между объемом производства Y(x) и фиксированной величиной G/s отношения правительственных расходов к предельной склонности населения к сбережению. 
Ниже приведен график решения уравнения при k=0.25, w²=0.25. 
Колебания решения уравнения около нуля соответствуют периодам спада и подъема в экономике.  

В дальнейшем будем рассматривать  обыкновенные дифференциальные уравнения, разрешенные относительно старшей  производной - уравнения, записанные в нормальной форме: 
y⁽ⁿ⁾) = f(x, y, y', y'', ..., y^(n-1)).

Функция y(x) называется решением дифференциального уравнения n-го порядка, если она n раз непрерывно дифференцируема на промежутке (a, b) и удовлетворяет  уравнению для всех  
xÎ (a, b).

Пример 3. Интегральная кривая для уравнения затухающих колебаний.

Уравнение второго порядка 
x'' + 2ax' + bx = 0 
при a²<b описывает затухающие (ангармонические) колебания.  
Ниже приведен график решения уравнения для a=0.1, b=1.

Дифференциальное  уравнение n-го порядка имеет, вообще говоря, бесконечное множество решений. Чтобы выделить единственное решение уравнения достаточно определить начальные условия: 
y(x₀) = y₀ , y'(x₀) = y_0,1 , y''(x₀) = y_0,2 , ..., y^(n-1)(x₀) = y_0,n-1.

При определенных ограничениях на правую часть уравнения эта задача, она  называется задачей Коши, имеет единственное решение.

Пример4. Решения задачи Коши для уравнения изменения объема производства в замкнутой экономической системе при различных начальных условиях.

Изменение объема производства в некоторой замкнутой экономической  системе описывает дифференциальное уравнение второго порядка 
y'' +2|k|y' + w²y = 0. 
В замкнутой экономической системе нет экспорта, импорта и притока капитала извне. Уравнение описывает поведение разности y(x)=Y(x)-G/s 
между объемом производства Y(x) и фиксированной величиной G/s отношения правительственных расходов к предельной склонности населения к сбережению. 
Ниже приведены графики решений уравнения при k=0.25, w²=0.25 при различных начальных условиях. Видно, что колебания решений около нуля — периоды спада и подъема в экономике — зависят от начального состояния системы. 

 

Справедлива следующая теорема существования и единственности решения задачи Коши.  
Если правая часть уравнения  
y⁽ⁿ⁾) = f(x, y, y', y'', ..., y^(n-1)) 
и ее частные производные по переменным y, y', y'', ..., y^(n-1) непрерывны в области G Rⁿ⁺¹, то для любой точки (x₀, y₀, y_0,1, y_0,2, ..., y_0,n-1) из G на некотором интервале (x₀-h, x₀+h) существует единственное решение y(x) уравнения, удовлетворяющее начальным условиям 
y(x₀) = y₀ , y'(x₀) = y_0,1 , y''(x₀) = y_0,2 , ..., y^(n-1)(x₀) = y_0,n-1.

Численное решение задачи Коши 
y⁽ⁿ⁾) = f(x, y, y', y'', ..., y^(n-1)), 
y(x₀) = y₀ , y'(x₀) = y_0,1 , y''(x₀) = y_0,2 , ..., y^(n-1)(x₀) = y_0,n-1  
состоит в построении таблицы приближенных значений y_i решения y=y(x) в точках x₁, x₂, ..., x_i, ... .

Задача о численном решении  дифференциального уравнения порядка  выше первого чаще всего сводится к численному решению решению задачи Коши для нормальной системы дифференциальных уравнений.  
Обозначив  
y(x)=y₁(x), y'(x)=y₂(x), y''(x)=y₃(x), ..., y^(n-1)(x)=y_n (x),  
получим задачу Коши для системы n дифференциальных уравнений 1-го порядка 
y₁'=y₂ , y₂'=y₃ , ..., y_n' =f(x, y₁, y₂ , ..., y_n ),  
y₁(x₀ )=y₀, y₂(x₀)=y_1,0 , ..., y_n-1(x₀)=y_n-1,0,  
которая в векторной форме имеет вид

`Y '= `F(x,`Y), `Y(x₀) =`Y₀,

`Y (x)=(y<sub>1</sub>(x), y<sub>2</sub>(x), ..., y<sub>n</sub>(x)), `Y '(x)=(y₁'(x), y₂'(x), ..., y_n'(x)),

                                  `F(x,`Y)= (y₂, y₃, ..., y_n, f(x, y₁, y₂ , ..., y_n )).

 
Численное решение задачи Коши для этой системы состоит в построении таблицы приближенных значений y_i,1 , y_i,2 , ..., y_i,N компонент y_i(x_j) вектора решения в точках x₁ , x₂ , ..., x_N. Чтобы получить расчетные формулы метода Рунге—Кутты для систем дифференциальных уравнений, достаточно в расчетных формулах для уравнений первого порядка заменить 
y, f(x, y), k₁, k₂, k₃, k₄ на `Y, `F(x,`Y), `k₁, `k<sub>2</sub>, `k₃, `k₄ .

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИНЕЙНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ N-ГО ПОРЯДКА.

Линейным дифференциальным уравнением n -го порядка называется уравнение вида  
y⁽ⁿ⁾ + a₁(x) y^(n-1) + ... + a_n-1 (x) y' + a_n(x) y = f(x),  
где y = y(x) — неизвестная функция,  
a₁(x), a₂(x), ..., a_n-1(x), a_n(x),  f(x) — известные функции, которые будем полагать непрерывными на промежутке (a, b).

Выражение в левой части уравнения называется линейным дифференциальным оператором n -го порядка:  
L(y) = y⁽ⁿ⁾ + a₁(x) y^(n-1) + ... + a_n-1 (x) y' + a_n(x) y .  
Уравнения  
y⁽ⁿ⁾ + a₁(x) y^(n-1) + ... + a_n-1 (x) y' + a_n(x) y = 0 и  
y⁽ⁿ⁾ + a₁(x) y^(n-1) + ... + a_n-1 (x) y' + a_n(x) y = f(x),  f(x) № 0,  
называются соответственно однородным и неоднородным линейным дифференциальным уравнением n -го порядка.

Будем записывать однородное и неоднородное линейные дифференциальные уравнения  в виде:  
L(y) = 0 и L(y) = f(x).

Принцип суперпозиции основан на следующих свойствах решений линейных уравнений:  
а) Если  y₁(x) и y₂(x) — два решения однородного линейного уравнения L(y)=0, то их линейная комбинация y(x) = c₁ y₁(x) + c₂ y₂(x) 
при любых постоянных c₁, c₂   является решением однородного уравнения.  
б) Если y₁(x) и  y₂(x) — два решения неоднородного линейного уравнения  
L(y) = f(x), то их разность y(x) = y₁(x) - y₂(x) 
является решением однородного уравнения L(y) = 0.  
в) Любое решение неоднородного линейного уравнения L(y) = f(x) есть сумма частного (фиксированного) решения неоднородного уравнения и некоторого решения однородного уравнения.

Принцип суперпозиции: 
Если y₁(x) и  y₂(x) — решения неоднородных линейных уравнений  
L(y) =  f₁(x) и L(y) =  f₂(x), то их сумма y(x) = y₁(x) + y₂(x) является решением уравнения 
L(y) =  f₁(x) +  f₂(x).  

Пример  5. Проверка принципа суперпозиции для линейного дифференциального уравнения 2-го порядка.

Рассмотрим  два линейных дифференциальных уравнения 2-го порядка: однородное и неоднородное уравнения.  
Функции y₁(x) = lnx и y₂(x) = x — два решения однородного уравнения 
 
а функция 
 
— решение неоднородного уравнения 
.  
Подстановкой в уравнения легко проверить, что функция 
y(x) = c₁ y₁(x) + c₂ y₂(x)  
является решением однородного уравнения при любых значения констант c₁, c₂, а функция  
y(x) = c₁ y₁(x) + c₂ y₂(x) + y₃(x) — решение приведенного выше неоднородного уравнения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИНЕЙНЫЕ ОДНОРОДНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ С ПОСТОЯННЫМИ  КОЭФФИЦИЕНТАМИ

Для линейного однородного  дифференциального уравнения n-го порядка

y⁽ⁿ⁾ + a₁(x) y^(n-1) + ... + a_n-1 (x) y' + a_n(x) y = 0, 

где y = y(x) — неизвестная функция, a₁(x), a₂(x), ..., a_n-1(x), a_n(x) — известные, непрерывные, справедливо:  
1) существуют n линейно независимых решений уравнения  
y₁(x), y₂(x), ..., y_n(x); 
2) при любых значениях констант c₁, c₂, ..., c_n функция 
y(x)= c₁ y₁(x) +  c₂ y₂(x) + ... + c_n y_n(x) 
является решением уравнения; 
3) для любых начальных значений x₀,  y₀,   y_0,1, ..., y_0,n-1 существуют такие значения c*₁, c*_n, ..., c*_n, что решение  
y*(x)=c*₁ y₁(x) + c*₂ y₂(x) + ... + c*_n y_n (x) 
удовлетворяет при x = x₀ начальным условиям 
y*(x₀)=y₀, (y*)'(x₀)=y_0,1 , ...,(y*)^(n-1)(x₀)=y_0,n-1.

Выражение  y(x)= c₁ y₁(x) +  c₂ y₂(x) + ... + c_n y_n(x) называется общим решением линейного однородного дифференциального уравнения n-го порядка.

Совокупность n линейно независимых решений линейного однородного дифференциального уравнения n-го порядка y₁(x), y₂(x), ..., y_n(x) называется фундаментальной системой решений уравнения.

Для линейного однородного  дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами существует простой алгоритм построения фундаментальной системы решений. Будем искать решение уравнения в виде y(x) = exp(lx): 
exp(lx)⁽ⁿ⁾ + a₁exp(lx)^(n-1) + ... + a_n-1exp(lx)' + a_nexp(lx)= 
=  (lⁿ + a₁l^n-1 + ... + a_n-1l + a_n)exp(lx) = 0,  
т.е. число l является корнем характеристического уравнения 
lⁿ + a₁l^n-1 + ... + a_n-1l + a_n = 0. 
Левая часть характеристического уравнения называется характеристическим многочленом  линейного дифференциального уравнения: 
P(l) = lⁿ + a₁l^n-1 + ... + a_n-1l + a_n. 
Таким образом, задача о решении линейного однородного уравнения n -го порядка с постоянными коэффициентами сводится к решению алгебраического уравнения.

Если характеристическое уравнение имеет n различных действительных корней  
l₁, l₂ ,... , l_n,  
то фундаментальная система решений состоит из функций    
y₁(x) = exp(l₁x), y₂(x) = exp(l₂x), ..., y_n(x) = exp(l_nx),  
и общее решение однородного уравнения имеет вид: 
y(x)= c₁ exp(l₁x) +  c₂ exp(l₂x) + ... + c_n exp(l_nx).

Пример 6. Фундаментальная система решений и общее решение для случая простых действительных корней

Фундаментальная система  решений и общее решение для  случая простых действительных корней

Рассмотрим уравнение  y'' - 3y' + 2y = 0.  
Его характеристическое уравнение l² - 3l + 2 = 0 имеет два различных действительных корня  l₁ =1 и l₂ =2.  
Фундаментальная система решений уравнения: 
y₁ = exp(l₁x)=exp(x) и y₂ = exp(l₂x)=exp(2x)  
Общее решение уравнения: y(x) = c₁exp(x) + c₂exp(2x)