background image

(

)

c

by

ax

f

y

+

+

=

c

by

ax

u

+

+

=

Wykład XXV

Równania różniczkowe zwyczajne (c.d.)

1. Równanie różniczkowe zwyczajne postaci: 

Po wstawieniu nowej zmiennej oraz  

W celu rozwiązania równania dokonujemy podstawienia: 

Obliczamy 

(

)

dx

dy

b

a

c

by

ax

dx

du

x

+

=

+

+

=

b

a

dx

du

b

dx

dy

=

1

równanie przyjmie ostateczną postać:    

( )

a

u

bf

dx

du

+

=

( )

u

f

b

a

dx

du

b

=

1

background image

2

Przykład 1. Rozwiązać równanie 

Rozwiązanie: Dokonujemy podstawienia: 

(

)

1

2

2

+

=

y

x

y

.

2

y

x

u

+

=

Liczymy pochodną po x:  

dx

dy

dx

du

+

= 2

2

=

dx

du

dx

dy

Po wstawieniu do równania otrzymujemy nowe 
równanie różniczkowe:   

1

2

2

=

u

dx

du

1

2

+

u

dx

du

Rozwiązując równanie dostajemy: 

dx

u

du

=

+1

2

=

+

dx

u

du

1

2

C

x

arctgu

+

=

(

)

C

x

y

x

arctg

+

=

+

2

(

)

C

x

tg

y

x

+

=

+

2

(

)

x

C

x

tg

y

2

+

=

Ostatecznie

background image

3

=

x

y

f

y

x

y

=

2. Równanie różniczkowe postaci: 

Po wstawieniu nowej zmiennej oraz  

Rozwiązując równanie dokonujemy podstawienia: 

Obliczamy 

u

dx

du

x

u

x

dx

du

dx

dy

+

=

+

=

1

u

dx

du

x

dx

dy

+

=

Otrzymujemy równanie różniczkowe postaci:    

( )

u

u

f

dx

du

x

=

czyli 

ux

=

background image

4

Przykład 2. Rozwiązać równanie 
(dotyczące pęku prostych z 
poprzedniego wykładu)

Rozwiązanie: Podzielimy licznik i 
mianownik po prawej stronie przez x

2

Przekształcając prawą stronę mamy:  

Dostajemy równanie:  

x

dx

du

u

u

u

=

+

3

2

1

2

2

2

y

x

xy

dx

dy

=

2

1

2

=

x

y

x

y

dx

dy

x

y

=

Wstawiamy

oraz

u

dx

du

x

dx

dy

+

=

u

u

u

dx

du

x

=

2

1

2

2

3

1

2

u

u

u

u

dx

du

x

+

=

(

)

=

+

dx

x

du

u

u

u

1

1

1

2

2

background image

5

W celu obliczenia całki po lewej stronie dokonujemy 
rozbicia funkcji wymiernej na ułamki proste:  

=

+

dx

x

du

u

u

u

1

)

1

(

1

2

2

Po wstawieniu symbolu całki  dostajemy: 

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

u

u

Cu

Bu

Au

A

u

C

Bu

u

A

u

u

u

+

+

+

+

=

+

+

+

=

+

Rozwiązujemy układ:   



=

=

=

+

1

0

1

A

C

B

A



=

=

=

2

1

0

B

A

C

=

+

+

dx

x

du

u

u

du

u

1

1

2

1

2

background image

6

(

)

C

x

u

u

ln

ln

1

ln

ln

2

=

+

C

x

u

u

ln

1

ln

2

=

+

C

x

x

y

x

y

=

+

2

1

x

x

y

x

x

y

C



+

=

±

/

1

2

2

2

2

y

x

Cy

+

=

±

0

2

2

=

+

Cy

y

x

m

0

4

2

2

2

2

=

+

C

C

y

x

m

4

2

2

2

2

C

C

y

x

=

+

m

Jeśli wstawimy r=C/2, otrzymamy równanie okręgu o 
ś

rodku w punkcie (0,±r) i promieniu r, są więc styczne do 

osi OX w punkcie (0,0).

background image

7

Jeżeli q(x)=0 wówczas równanie różniczkowe nazywamy 
jednorodnym. Jeżeli q(x)≠0 równanie różniczkowe nazywane 
jest niejednorodnym

gdzie p(x) i q(x) są ciągłe w pewnym przedziale, natomiast 
y

jest pewną funkcją zależną od x

Równaniem różniczkowym liniowym I rzędu nazywamy 
równanie postaci:  

Metoda rozwiązywania równania liniowego rzędu 

pierwszego 

( )

( )

x

q

y

x

p

y

=

+

3. Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

a) Rozwiązujemy równanie jednorodne y'+p(x)y=0 

(równanie różniczkowe o zmiennych rozdzielonych)

b) Uzmienniamy stałą w rozwiązaniu równania 

jednorodnego. 

background image

8

Przykład 3. Rozwiązać równanie 

Rozwiązanie:
a) Rozwiązujemy równanie jednorodne 

x

x

y

y

=

+

0

=

+

x

y

y

x

y

dx

dy

=

x

dx

y

dy

=

dx

x

dy

y

=

1

1

C

x

y

ln

ln

ln

+

=

x

C

y

ln

ln

=

( )

x

C

x

y

=

background image

9

b) Uzmienniamy stałą:  

( )

( )

x

x

C

x

y

=

Ponieważ funkcja musi spełniać równanie różniczkowe:  

x

x

y

y

=

+

obliczamy pochodną (

pochodna ilorazu

): 

( )

( )

( )

( )

2

2

1

x

x

C

x

x

C

x

x

C

x

x

C

dx

dy

y

=

=

=

i wstawiamy ją do równania uzyskując:

( )

( )

( )

x

x

x

C

x

x

C

x

x

C

=

+

2

2

( )

2

x

x

C

=

( )

1

3

3

C

x

x

C

+

=

Ostatecznie otrzymujemy rozwiązanie: 

x

C

x

x

C

x

y

1

2

1

3

3

1

3

1

+

=

+

=

background image

10

Przykład 4. Rozwiązać równanie 

Rozwiązanie:
a) Rozwiązujemy równanie jednorodne 

xy

dx

dy

2

=

xdx

y

dy

2

=

=

xdx

dy

y

2

1

2

x

e

C

y

=

0

2

=

+

xy

y

C

x

C

x

y

ln

ln

2

2

ln

2

2

+

=

+

=

2

x

Ce

y

=

2

2

x

xe

xy

y

=

+

background image

11

b) Uzmienniamy stałą:  

( )

( )

2

x

e

x

C

x

y

=

Obliczamy pochodną (

pochodna iloczynu

): 

( )

x

x

C

=

Ostatecznie otrzymujemy rozwiązanie: 

2

1

2

2

1

x

e

C

x

y

+

=

Wstawiamy pochodną i funkcję do równania 
uzyskując:

2

2

x

xe

xy

y

=

+

( )

( )

( )

2

2

2

2

2

2

x

x

x

x

xe

e

x

xC

e

x

xC

e

x

C

=

+

( )

( )

( )

(

)

x

e

x

C

e

x

C

x

y

x

x

2

2

2

+

=

( )

1

2

2

1

C

x

x

C

+

=

background image

12

Zadania na ćwiczenia: 
Rozwiązać równania różniczkowe 

(

)

1

.

1

2

+

=

y

x

y

y

x

x

x

y

y

+

=

3

.

4

1

3

2

.

2

+

+

=

y

x

y

2

2

2

2

.

6

y

x

dx

dy

xy

=

2

3

2

.

3

+

=

+

x

y

y

0

5

.

5

2

=

+

x

y

y

x

y

x

e

y

y

5

3

5

.

7

=

+

x

y

y

3

sin

5

.

8

=

+

1

4

3

.

9

+

=

+

x

y

y

3

2

.

10

x

x

y

y

=

+