background image

1. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE RZĘDU PIERWSZEGO 

 
1.1 POJĘCIA WSTĘPNE 
 
Def. 1.1.1 (równanie różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu) 
Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu pierwszego nazywamy równanie postaci: 
(R)                                                                                     

)

,

(

'

y

t

f

y

.  

Uwaga. Będziemy się również posługiwali tzw. formą różniczkową równania różniczkowego, czyli równaniem postaci 

0

)

,

(

)

,

(

dy

y

t

Q

dt

y

t

P

 Jednak najogólniejszą formą równania różniczkowego rzędu pierwszego jest równanie postaci  

0

)

'

,

,

(

y

y

t

F

Inaczej mówiąc równanie różniczkowe rzędu pierwszego jest zależnością między funkcją niewiadomą, zmienną niezależną i 
pierwszą pochodną funkcji niewiadomej. 
 
Def. 1.1.2 (rozwiązanie równania różniczkowego) 
Funkcję y(t) nazywamy rozwiązaniem równania różniczkowego (R) na przedziale (a,b), jeżeli jest ona różniczkowalna na tym 
przedziale oraz zamienia to równanie w tożsamość 

)

(

,

)

(

'

t

y

t

f

t

y

prawdziwą dla wszystkich 

 (a,b). Wykres (rys. 1) rozwiązania równania różniczkowego nazywamy jego krzywą całkową. 

 

 

Rys. 1 Krzywa całkowa 

 
Uwaga.  Analogicznie  określamy  rozwiązania  na  przedziałach  postaci:  [a,b),  (a,b],  [a,b],  (-

,b),  (-

,b],  [a,

),  (-

,

).  Przy 

czym w przypadku, gdy rozwiązanie określone jest na przedziale domkniętym z jednego lub obu końców, przez jego pochodną 
na końcu przedziału rozumiemy odpowiednią pochodną jednostronną. Rozwiązanie równania różniczkowego zadane w postaci 
uwikłanej  

0

)

,

(

y

t

 

 nazywamy całką tego równania. Ponieważ każde rozwiązanie jest całką (niekoniecznie odwrotnie), więc często w odniesieniu 
do rozwiązań używa się także terminu całka. Stąd mówimy zwyczajowo scałkować równanie różniczkowe, zamiast rozwiązać 
równanie. 
 
Def. 1.1.3 (zagadnienie początkowe) 
Równanie różniczkowe (R) oraz warunek 

(W)                                                                                    

0

0

)

(

y

t

y

  

nazywamy zagadnieniem początkowym lub zagadnieniem Cauchy’ego. 
Uwaga. Zagadnienie początkowe będziemy zapisywali krótko 

(RW)                                                                    

0

0

)

(

),

,

(

'

y

t

y

y

t

f

y

 

Przy czym liczby t

0

 i y

0

 nazywamy wartościami początkowymi, a warunek (W) nazywamy warunkiem początkowym. 

 
Def. 1.1.4 (rozwiązanie zagadnienia początkowego) 
Funkcja y(t) jest rozwiązaniem zagadnienia początkowego (RW), jeżeli jest rozwiązaniem równania (R) na pewnym przedziale 
zawierającym t

0

 i spełnia warunek (W). 

 

Rys. 2  

background image

 
Uwaga
.  W  interpretacji  geometrycznej,  rozwiązanie  zagadnienia  początkowego,  polega  na  znalezieniu  wśród  wszystkich 
krzywych całkowych równania (R) tej, która przechodzi przez punkt (t

0

,y

0

) (rys.2). Jednak zagadnienie to niekoniecznie musi 

mieć  jednoznaczne  rozwiązanie.  Może  istnieć  więcej  niż  jedno  rozwiązanie  danego  zagadnienia  początkowego.  Istnienie 
rozwiązań  zagadnienia  początkowego  oraz  ich  jednoznaczność  jest  jednym  z  głównych  problemów  teorii  równań 
różniczkowych zwyczajnych. 
 
Tw. 1.1.5 (o istnieniu i jednoznaczności rozwiązań równania (R)) 

Niech  funkcja  f(t,y)  oraz  jej  pochodna  cząstkowa 

y

f

będą  określone  i  ciągłe  na  obszarze  domkniętym  

  R

2

.  Wtedy  dla 

każdego punktu (t

0

,y

0

) 

 D, zagadnienie początkowe (RW) ma dokładnie jedno rozwiązanie. 

 
Uwaga
.  Inaczej  mówiąc  przy  dowolnych  wartościach  początkowych  wybranych  z  obszaru  D  istnieje  zawsze  rozwiązanie 
zagadnienia początkowego (RW). Co więcej, jeżeli dane są dwa rozwiązania o tych samych wartościach początkowych (W), 
przy czym każde z rozwiązań określone jest na pewnym przedziale zawierającym punkt t

0

, to rozwiązania te pokrywają się na 

wspólnej części rozważanych przedziałów. 
 
Def. 1.1.6 (rozwiązanie ogólne i szczególne równania różniczkowego) 
Rodzinę funkcji  

)

,

C

t

y

y

 zależnych od parametru rzeczywistego C, nazywamy rozwiązaniem ogólnym równania (R), jeżeli: 
1. każda funkcja tej rodziny jest jego rozwiązaniem, 
2. dla każdego warunku początkowego 

0

0

)

(

y

t

y

, dla którego rozwiązanie istnieje i jest jednoznaczne można dobrać stałą C 

tak, aby 

0

0

)

,

(

y

C

t

y

Każdą funkcję otrzymaną z rozwiązania ogólnego równania (R) przy ustalonej wartości parametru C nazywamy rozwiązaniem 
szczególnym tego równania. 
 
Uwaga
.  Rozwiązanie  zagadnienia  początkowego,  jeżeli  istnieje  i  jest  jednoznaczne,  jest  rozwiązaniem  szczególnym.  W 
praktyce znajomość rozwiązania ogólnego jest bardzo dogodna, gdyż przez odpowiedni dobór parametru  C można otrzymać 
rozwiązanie zagadnienia początkowego. Rozwiązanie ogólne równania różniczkowego, określone w postaci uwikłanej  

0

)

,

,

(

C

y

t

 nazywamy całką ogólną tego równania. 
 
 
1.2 RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE O ZMIENNYCH ROZDZIELONYCH 
 
Def. 1.2.1 (równanie różniczkowe o zmiennych rozdzielonych) 
Równaniem różniczkowym o zmiennych rozdzielonych nazywamy równanie postaci 
(S)                                                                                    

)

(

)

(

'

y

h

t

g

y

 
Uwaga
. Zauważmy, że jeżeli h(y

0

) = 0 dla pewnego y

0

, to funkcja y(t) 

 y

jest jednym z rozwiązań powyższego równania. W 

formie różniczkowej o zmiennych rozdzielonych przyjmuje postać 

dt

t

g

y

h

dy

)

(

)

(

 
Fakt 1.2.2 (całka ogólna równania (S)) 
Niech  funkcje  g(t)  i  h(y)  będą  ciągłe  odpowiednio  na  przedziałach  (a,b)  i  (c,d),  przy  czym  h(y) 

  0  dla  każdego  

  (c,d). 

Wtedy całka ogólna równania różniczkowego o zmiennych rozdzielonych (S) dana jest wzorem 

C

dt

t

g

y

h

dy

)

(

)

(

 

 
Uwaga
. Całki w powyższym wzorze rozumiane są jako dowolne, lecz ustalone funkcje pierwotne. 
 
Tw. 1.2.3 (o istnieniu i jednoznaczności rozwiązań równania (S)) 
Niech  funkcje  g(t)  i  h(y)  będą  ciągłe  odpowiednio  na  przedziałach  (a,b)  i  (c,d),  przy  czym  h(y) 

  0  dla  każdego  

  (c,d)

Wtedy dla każdego punktu (t

0

,y

0

), gdzie t

 (a,b)y

 (c,d), zagadnienie początkowe  

0

0

)

(

),

(

)

(

'

y

t

y

y

h

t

g

y

 

ma dokładnie jedno rozwiązanie. 
 
Uwaga
. Inaczej mówiąc, przez każdy punkt (t

0

,y

0

) prostokąta (a,b)

(c,d) przechodzi dokładnie jedna krzywa całkowa (rys.3)  

równania y’ = g(t)h(y). 
 

background image

 

Rys. 3  

 
 
1.3 RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE JEDNORODNE 
 
Def. 1.3.1 (równanie różniczkowe jednorodne) 
Równaniem różniczkowym jednorodnym nazywamy równanie postaci 

(J)                                                                                       

t

y

f

y'

 

Uwaga.  Jeżeli  f(u) 

  u,  to  równanie  jednorodne  przyjmuje  postać 

t

y

y

'

  i  całkuje  się  przy  pomocy  metody  rozdzielonych 

zmiennych.  Jego  rozwiązanie  ogólne  dane  jest  wtedy  wzorem  y(t)  =  Ct,  gdzie  

  R.  jeżeli  f(u

0

)  =  u

0

  dla  pewnego  u

0

,  to 

jedynym rozwiązaniem równania (J) jest funkcja y(t) = u

0

t

 
Fakt 1.3.2 (o zamianie zmiennych w równaniu jednorodnym) 
Równanie jednorodne (J) przez zamianę zmiennych  

y=ut 

sprowadza się do równania o zmiennych rozdzielonych postaci 

tu’ = f(u) – u

 
Tw. 1.3.3 (o istnieniu i jednoznaczności rozwiązań równania (J)) 
Niech funkcja f(u) będzie ciągła na przedziale (a,b) i niech spełnia na nim warunek f(u) 

 u. Wtedy dla każdego punktu (t

0

,y

0

takiego, że 

b

t

y

a

0

0

 zagadnienie początkowe 

0

0

)

(

,

'

y

t

y

t

y

f

y

 

ma dokładnie jedno rozwiązanie. 
 
 

 

Rys. 4  

 
 
Uwaga
. Inaczej mówiąc, przez każdy punkt (t

0

,y

0

) obszaru 

b

t

y

a

y

t

:

)

,

(

przechodzi dokładnie jedna krzywa całkowa (rys. 4) równania (J). 
 

background image

1.4 RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE LINIOWE 
 
Def. 1.4.1 (równanie różniczkowe liniowe) 
Równaniem różniczkowym liniowym pierwszego rzędu nazywamy równanie postaci 
(L)                                                                                 

)

(

)

(

'

t

q

y

t

p

y

Jeżeli q(t) 

 0, to równanie nazywamy niejednorodnym. W przypadku przeciwnym nazywamy je jednorodnym. 

 
Uwaga
.  Równanie  różniczkowe  liniowe  jednorodne  jest  szczególnym  przypadkiem  równania  różniczkowego  o  zmiennych 
rozdzielonych y’=g(t)h(y), w którym przyjęto g(t) =  p(t), h(y) = y.  
 
Tw. 1.4.2 (o istnieniu i jednoznaczności rozwiązań równania (L))
 
Niech funkcje p(t) i q(t) będą ciągłe na przedziale (a,b), gdzie –

 

 a < b 

 

. Wtedy dla każdego punktu (t

0

,y

0

), gdzie t

0

 

 

(a,b) oraz y

0

 

 R, zagadnienie początkowe 

0

0

)

(

),

(

)

(

'

y

t

y

t

q

y

t

p

y

 

ma dokładnie jedno rozwiązanie. Rozwiązanie to jest określone na przedziale (a,b). 
 
 

 

Rys. 5 

 
Uwaga
.  Inaczej  mówiąc,  przez  każdy  punkt  pasa  (a,b) 

  R  przechodzi  dokładnie  jedna  krzywa  całkowa  (rys.  5)  równania 

różniczkowego liniowego. 
 
1.5 RÓWNANIE RÓŻNICZKOWE BERNOULLIEGO 
 
Def. 1.5.1 (równanie różniczkowe Bernoulliego) 
Równaniem różniczkowym Bernoulliego nazywamy równanie postaci 

r

y

t

q

y

t

p

y

)

(

)

(

'

gdzie r

R-{0,1}

 
Uwaga
.  Gdyby  dopuścić  r  =  0,  to  równanie  Bernoulliego  byłoby  równaniem  różniczkowym  liniowym  niejednorodnym. 
Natomiast dla = 1, równanie to byłoby równaniem różniczkowym liniowym jednorodnym. Zauważmy jeszcze, że dla  > 0 
funkcja y(t

 0 jest zawsze jednym z rozwiązań równania Bernoilliego. 

 
Fakt 1.5.2 (sprowadzanie równania Bernoulliego do równania liniowego) 
Równanie Bernoulliego 

r

y

t

q

y

t

p

y

)

(

)

(

'

gdzie 

 0, 1, przez zamianę zmiennych 

r

y

z

1

 sprowadza się do równania liniowego niejednorodnego postaci 

)

(

)

1

(

)

(

)

1

(

'

t

q

r

z

t

p

r

z

 
 
1. 6 KRZYWE ORTOGONALNE 
 
Def. 1.6.1 (równanie rodziny krzywych)
 
Jeżeli równanie 

0

)

,

,

(

C

y

t

 

dla każdej wartości parametru C z pewnego przedziału określa krzywą, to nazywamy je równaniem rodziny krzywych (rys. 6). 
 
Def. 1.6.1 (rodzina krzywych ortogonalnych) 
Mówimy, że rodziny krzywych 

(t,y,C) = 0, 

(t,y,C) = 0 są ortogonalne, jeżeli w każdym punkcie przecięcia krzywych z obu 

rodzin, krzywe te tworzą między sobą kąt prosty (rys. 7). 
 

background image

 

 

Rys. 6 

Rys. 7 

 
Fakt 1.6.2 (równanie różniczkowe rodziny krzywych ortogonalnych) 
Jeżeli F(t,y,y’) = 0 jest równaniem różniczkowym rodziny krzywych, to równanie różniczkowe rodziny krzywych ortogonal-
nych ma postać 

0

'

1

,

,





y

y

t

F

 
1.7 POJĘCIA WSTĘPNE DLA RÓWNAŃ RÓŻNICZKOWYCH WYŻSZYCH RZĘDÓW 
 
Def. 1.7.1 (równanie różniczkowe zwyczajne n-tego rzędu)
 
Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu n nazywamy równanie postaci 

(R)                                                                       

)

,...,

'

,

,

(

)

1

(

)

(

n

n

y

y

y

t

f

y

 

Uwaga. Najogólniejszą formą równania różniczkowego rzędu n jest wyrażenie postaci 

0

)

,...,

'

,

,

(

)

(

n

y

y

y

t

F

 
Def. 1.7.2 (rozwiązanie równania różniczkowego n-tego rzędu) 
Funkcję y(t), różniczkowalną n-krotnie na przedziale otwartym (a,b), nazywamy rozwiązaniem równania różniczkowego (R) 
na tym przedziale, jeżeli zamienia to równanie w tożsamość 

)

(

),...,

(

'

),

(

,

)

(

)

1

(

)

(

t

y

t

y

t

y

t

f

t

y

n

n

 

prawdziwą dla wszystkich t należących do przedziału 

 (a,b). Wykres rozwiązania równania różniczkowego nazywamy jego 

krzywą całkową. 
 
Def. 1.7.3 (zagadnienie początkowe) 
Równanie różniczkowe (R) oraz warunki 

(W)                                                         

1

0

)

1

(

1

0

0

0

)

(

,...,

)

(

'

,

)

(

n

n

y

t

y

y

t

y

y

t

y

nazywamy zagadnieniem początkowym lub zagadnieniem Cauchy’ego. 
 
Uwaga
. Zagadnienie początkowe będziemy zapisywali krótko 

(RW)                            

1

0

)

1

(

1

0

0

0

)

1

(

)

(

)

(

,...,

)

(

'

,

)

(

,

,...,

'

,

,

n

n

n

n

y

t

y

y

t

y

y

t

y

y

y

y

t

f

y

przy  czym  liczby  t

0

  i  y

0

,  y

1

,  ...,  y

n-1

  nazywamy  wartościami  początkowymi,  a  warunek  (W)  nazywamy  warunkiem 

początkowym. 
 
Def. 1.7.4 (rozwiązanie zagadnienia początkowego) 
Funkcja  y(t)  jest  rozwiązaniem  zagadnienia  początkowego  (RW)  jeżeli  jest  rozwiązaniem  równania  (R)  na  przedziale 
zawierającym punkt t

0

 i jeżeli spełnia warunki (W). 

 
Def. 1.7.5 (rozwiązanie ogólne i szczególne równania różniczkowego) 
Rodzinę funkcji 

)

,...,

,

,

(

2

1

n

C

C

C

t

y

y

 

zależnych  od  n  rzeczywistych  parametrów  C

1

,  C

2

,  ...,  C

n

  nazywamy  rozwiązaniem  ogólnym  równania 

)

1

(

)

(

,...,

'

,

,

n

n

y

y

y

t

f

y

, jeżeli: 

1. każda funkcja tej rodziny jest rozwiązaniem tego równania, 
2. dla każdego układu warunków początkowych 

0

0

)

(

y

t

y

1

0

)

(

'

y

t

y

, ..., 

1

0

)

1

(

)

(

n

n

y

t

y

, dla którego rozwiązanie 

istnieje i jest jednoznaczne, można dobrać stałe C

1

C

2

, ..., C

n

 tak, aby 

1

2

1

0

)

1

(

1

2

1

0

0

2

1

0

)

,...,

,

,

(

,...,

)

,...,

,

,

(

'

,

)

,...,

,

,

(

n

n

n

n

n

y

C

C

C

t

y

y

C

C

C

t

y

y

C

C

C

t

y

Każdą  funkcję  otrzymaną  z  rozwiązania  ogólnego  równania  (R)  przy  ustalonych  wartościach  parametrów  C

1

,  C

2

,  ...,  C

n

 

nazywamy rozwiązaniem szczególnym tego równania. 

background image

Uwaga.  Rozwiązanie  zagadnienia  początkowego,  jeżeli  istnieje  i  jest  jednoznaczne,  jest  rozwiązaniem  szczególnym.  W 
praktyce  znajomość  rozwiązania  ogólnego  jest  bardzo  dogodna,  gdyż  przez  odpowiedni  dobór  parametrów  C

1

,  C

2

,  ...,  C

n

 

można otrzymać rozwiązanie zagadnienia początkowego. 
 
1.8 RÓWNANIA RZĘDU DRUGIEGO SPROWADZALNE DO RÓWNAŃ RZĘDU PIERWSZEGO 
 
Fakt 1.8.1 (równanie różniczkowe postaci y’’ =  f(t,y’)) 
Równanie różniczkowe drugiego rzędu postaci 

)

'

,

(

'

'

y

t

f

y

 

przez podstawienie y’ = u sprowadza się do równania różniczkowego rzędu pierwszego postaci 

)

,

(

'

u

t

f

u

 
Fakt 1.8.2 (równanie różniczkowe postaci y’’ =  f(y,y’)) 
Równanie różniczkowe drugiego rzędu postaci 

)

'

,

(

'

'

y

y

f

y

 

przez podstawienie = q(y) sprowadza się do równania różniczkowego rzędu pierwszego postaci 

)

,

(

q

y

f

dy

dq

q