background image

1

Równania różniczkowe zwyczajne

Definicja

Równaniem różniczkowym rzędu pierwszego nazywamy

równanie postaci

(x, y, y

0

) = 0,

gdzie

F

jest funkcją ciągłą na pewnym obszarze

∆ ⊂ R

, zaś

y(x)

jest szukaną (niewiadomą) funkcją.

Jeżeli równanie

(x, y, y

0

) = 0

można rozwiązać ze względu na

y

0

, to otrzymujemy tzw. postać normalną równania różniczkowego

rzędu pierwszego:

y

0

(x, y),

gdzie

f

jest funkcją ciągłą na pewnym obszarze

D ⊂ R

.

background image

2

Przykłady równań różniczkowych rz. 1:

y

0

+ 2y

2

sin = 0

y

0

= 3x − y

xy

0

+ 2(ln y − ln x) = 0

Definicja

Rozwiązaniem rr

y

0

(x, y)

na przedziale

I

nazywamy każdą funkcję

y(x)

o ciągłej pochodnej w

I

i

wykresie zawartym w obszarze

D

, która równanie to przeprowadza

w tożsamość, tj.

x∈I

y

0

(x≡ f x , y(x) ).

Rozwiązanie rr nazywamy także całką rr.

background image

3

Przykład

Najprostszym rr rz. 1 jest równanie:

y

0

(x),

gdzie

f

jest daną funkcją ciągłą w przedziale

I

.

Rozwiązanie tego równania ma postać:

y(x) =

Z

(xdx (x) + C

• Pojedyńcze rozwiązanie rr nazywamy całką szczególną (CS) rr.

• Rodzinę wszystkich rozwiązań postaci

y(xC)

nazywamy

całką ogólną (rozwiązaniem ogólnym) rr.

NP.

y

0

=

1

x

background image

4

Definicja

(Zagadnienia początkowego - Cauchy’ego)

Niech funkcja

(x, y)

jest określona w obszarze

D

. Dla

zadanego punktu

(x

0

, y

0

∈ D

wyznaczyć takie rozwiązanie (CS)

y(x)

równania

y

0

(x, y)

, aby

y(x

0

) = y

. Tak postawiony

problem rozwiązania rr nazywamy zagadnieniem początkowym

(Cauch’ego), warunek

y(x

0

) = y

nazywamy warunkiem początkowym.

Zagadnienie początkowe zapisujemy:

y

0

(x, y)

y(x

0

) = y

0

background image

5

Twierdzenie

(O istnieniu i jednoznaczności rozwiązań rr)

Jeżeli funkcja

(x, y)

oraz jej pochodna cząstkowa

f

y

(x, y)

ciągłe na obszarze

D

oraz

(x

0

, y

0

∈ D

, to zagadnienie początkowe

y

0

(x, y)

y(x

0

) = y

0

ma dokładnie jedno rozwiązanie.

Przykład

Korzystając z podanego twierdzenia uzasadnić, że

zagadnienie początkowe

y

0

= ln(1 + y

2

),

y(0) = 0

ma dokłdnie jedno rozwiazanie.

background image

6

Równanie różniczkowe o zmiennych rozdzielonych

Jest to równanie postaci:

y

0

h(x· g(y)

gdzie funkcje

h(x)

i

g(y)

są danymi funkcjami ciągłymi.

Twierdzenie

Jeżeli funkcje

h(x)

i

g(y)

są ciągłe odpowiednio w

przedziałach

(a, b)

i

(c, d)

, przy czym

g(y6= 0

dla

y ∈ (c, d)

oraz

x

0

∈ (a, by

0

∈ (c, d)

, to zagadnienie początkowe

y

0

h(x· g(y),

y(x

0

) = y

0

,

ma dokładnie jedno rozwiązanie.

background image

7

Uwaga

Sposób rozwiązywania rr o zmiennych rozdzielonych

y

0

h(x)g(y)

:

dy

dx

h(x· g(y)

dy h(x· g(ydx

dy

g(y)

h(xdx

Z

dy

g(y)

=

Z

h(xdx

Całkę ogólną otrzymujemy z ostatniej tożsamości.

Uwaga

Jeżeli

y

jest taką liczbą, że

g(y

) = 0

, to funkcja

stała

y(x) = y

,

x ∈ (a, b)

jest też rozwiązaniem równania

y

0

h(x)g(y)

.

background image

8

Przykład

Znaleźć całkę ogólną równania:

y

0

= 2(y − 3)

Przykład

Rozwiązać zagadnienie Cauchy’ego:

y

0

=

cos x

3y

2

,

y


π

2


1

background image

9

Równania sprowadzalne do

równań o zmiennych rozdzielonych

• Równanie jednorodne - jest to równanie postaci

y

0

f


y

x


,

gdzie

(u)

jest funkcją ciągłą w pewnym przedziale.

Równanie to sprowadzamy do równania o zmiennych rozdzielonych

przez podstawienie:

u(x) =

y(x)

x

Przykład

Znaleźć całkę ogólną równania:

y

0

=

x

3

y

3

xy

2

background image

10

• Równanie postaci:

y

0

(ax by c,

gdzie

a 6= 0, b 6= 0

i

(u)

jest funkcją ciągłą w pewnym

przedziale.

Równanie to sprowadzamy do równania o zmiennych rozdzielonych

przez podstawienie:

u(x) = ax by(x) + c

Przykład

Rozwiązać równanie różniczkowe:

y

0

= (+ 4x − 3)

2

background image

11

Równanie liniowe rzędu pierwszego

Równanie postaci:

y

0

p(x(x),

gdzie

p(x)

i

(x)

są funkcjami ciągłymi w pewnym przedziale

I

,

nazywamy równaniem liniowym rzędu pierwszego.

• Jeżeli

(x≡ 0

, to równanie powyższe nazywamy równaniem

liniowym jednorodnym.

• Jeżeli

(x)

nie jest tożsamościowo równe 0 na przedziale

I

, to

równanie powyższe nazywamy równaniem liniowym niejednorodnym.

background image

12

• Przykłady równań liniowych:

y

0

+ 2 = cos x,

y

0

x y e

x

,

y

0

ln = 0

• Przykłady równań, które nie są liniowe:

y

0

y

2

= sin x,

y

0

+ 2 e

y

,

y

0

ln = 0

Uwaga Równanie liniowe jednorodne jest równaniem o rozdzielonych

zmiennych.

Twierdzenie

(O budowie całki ogólnej równania liniowego

niejednorodnego

i

jednoznaczności

rozwiązania

zagadnienia

początkowego)

background image

13

Załóżmy, że w równaniu

y

0

p(x(x),

funkcje

p(x)

i

(x)

są funkcjami ciągłymi w pewnym przedziale

I

. Wówczas:

• jeżeli

y

0

(xC), x ∈ I, C ∈ R

jest całką ogólną równania

jednorodnego

y

0

p(xy

=

0

oraz

y

S

(x), x ∈ I

jest dowolną całką szczególną równania niejednorodnego, to całka

ogólna równania niejednorodnego ma postać:

y

0

(xC) + y

S

(x),

x ∈ I, C ∈ R.

background image

14

• zagadnienie początkowe

y

0

p(x(x)

y(x

0

) = y

0

,

x

0

∈ I

ma dokładnie jedno rozwiązanie określone w całym przedziale

I

. Można je otrzymać z całki ogólnej poprzez odpowiedni dobór

stałej

C

.

Przykład

Znaleźć całkę szczególną równania

y

0

1

x

= 2x

2

spełniającą warunek początkowy

y(1) = 3

.

Przykład

Rozwiązać równanie:

y

0

+ cos x y = sin cos x