Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

1 курс 2 семестр (книга №3)

.pdf
Скачиваний:
90
Добавлен:
16.12.2013
Размер:
695.59 Кб
Скачать

 

 

 

1 = x2n

=1+ x2 + x4

+K+ x2n +K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1x2

 

n=0

 

 

 

Поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

x = x x2n = x2n+1

=x + x3

+ x5 +K+ x2n+1 +K

 

 

 

 

 

 

 

1x2

 

n=0

n=0

 

 

 

8. Уравнение вида

y′+ p(x) y = f (x) yn

называется уравнением Бернулли и сводится к линейному заменой z = y1n или, как и многие уравнения первого

порядка, может быть решено методом Бернулли, т.е. подстановкой y = u v. Уравнение

 

 

y3

y

= y ctg x + sin x

 

легко приводится к виду

y′−ctg x y = sin1 x y3 ,

т.е. является уравнением Бернулли. Полагаем y = uv . Тогда y′ = uv +uv. Подставляем в уравнение и группируем слагаемые, содержащие u . Получаем

 

 

u3v3

 

 

 

ctg x uv = sin x ;

 

u v +uv

 

 

 

 

 

u3v3

(4)

u v +u(v

 

ctg x v) = sin x .

Предполагая, что

 

 

 

 

 

 

 

получим

v′−ctg x v = 0 ,

(5)

 

 

 

 

 

 

 

dv

 

= ctg x v;

dv

 

= ctg x dx;

dv

= ctg x dx;

dv

=

cos x

dx;

dx

v

v

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x

dv

=

d(sin

x)

; ln

 

v

 

= ln

 

sin x

 

 

+C; v = sin x.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

sin

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя v = sin x в уравнение (4), с учетом (5) приходим к следующему дифференциальному уравнению

usin x =

u3 sin3 x

;u′ = u

3

sin x;

du

= u

3

sin x;

du

= sin xdx;

sin x

 

 

dx

 

u3

du3 = sin xdx;1

2

= −cos x C1 ;u =

 

1

 

 

.

u

2u

 

 

 

 

 

 

2 cos x +C

 

Окончательно получаем, что

y = uv = sin x

1

=

sin2 x

 

2cos x +C

2cos x +C .

9.При решении линейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка сначала ищется общее уравнение y0 (x) однородного уравнения, затем находится частное решение y(x) неоднородного

уравнения, а общее решение неоднородного уравнения получается как сумма

y(x) = y0 (x) + y(x)

Таким образом, первым шагом в решении уравнения

y′′−2 y′+3y = ex cos x

является решение соответствующего однородного уравнения

y′′−2 y′+3y = 0 .

(6)

Составляем характеристическое уравнение

λ2 2λ +3 = 0 λ1,2 =1 ± 2i .

Напомним, что если корни характеристического уравнения комплексны и равны λ1,2 =α ± βi , то общим решением

соответствующего однородного уравнения будет функция

y0 = eαx (C1 cos βx +C2 sin βx) .

Итак, общим решением уравнения (6) будет функция

y0 = ex (C1 cos 2x +C2 sin 2x)

Так как левая часть уравнения равна ex cos x , то частное решение неоднородного уравнения ищем в виде

y(x) = ex (Psin x +Q cos x) ,

где P,Q - неизвестные константы. Имеем:

y(x) = ex (P cos x Q sin x) ex (P sin x +Q cos x) = = ex ((P Q) cos x (P +Q) sin x));

y′′(x) = −ex ((P Q) cos x (P +Q) sin x) + ex ((P Q) sin x − −(P +Q) cos x)) = ex (2P cos x + 2Q sin x)

Подставим полученные выражения в исходное дифференциальное уравнение, после деления на ex 0 получим:

2P cos x + 2Q sin x 2P cos x + 2Q sin x +3P sin x +3Q cos x

+2Q cos x + 2P sin x +

=cos x.

Приведем подобные слагаемые:

(4P +5Q) cos x +(5P + 4Q)sin x = cos x.

Откуда получаем равенство коэффициентов при соответствующих тригонометрических функциях:

4P +5Q =1;

5P + 4Q = 0.

Решая систему, находим, что

P = −

4

 

,Q =

5

 

. Таким

41

41

 

 

 

 

образом, частное решение данного дифференциального уравнения имеет вид

 

x

 

4

 

 

5

 

 

y(x) = e

 

 

 

sin x +

 

 

cos x .

41

41

 

 

 

 

 

Окончательно получаем следующее общее решение неоднородного линейного дифференциального уравнения второго порядка

y(x) = e

x

( C1 sin 2x +C2 cos

2x) +e

x

4

sin x +

5

 

 

 

41

41

cos x .

 

 

 

 

 

 

 

 

10.Решим задачу Коши

3y′′−2 y′− y = 2x +3; y(0) =1;

y(0) = 2.

Сначала решаем линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка. Составим для него

характеристическое уравнение 3λ2 2λ 1 = 0, корни которого

равны λ1 =1,λ2 = −13. Тогда общее решение соответствующего линейного однородного уравнения имеет вид

 

 

 

y

 

(x) = C ex +C

e

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

3 .

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

Найдем частное

решение

неоднородного

уравнения , пусть

y(x) = Ax + B, тогда

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

y (x) = A, y (x) = 0. Подставляя найденные

значения

в

 

исходное

уравнение,

получаем

2 A Ax B = 2x +3, откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A = 2,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 A B = 3.

 

 

 

 

 

Очевидно,

что

 

A = −2, B =1.

Тогда

частное

решение

неоднородного уравнения имеет вид

 

 

 

 

 

 

y(x) = −2x +1.

Таким образом, общее решение данного неоднородного дифференциального уравнения

y(x) = C1ex +C2e3x 2x +1.

Для данных начальных условий найдем значения констант C1,C2. . Вычислим

y(x) = C1ex 13 C2e3x 2.

Подставляя в

 

 

 

 

 

 

 

x = 0, y =1, y

= 2

, приходим к

y(x), y (x) значения

 

системе

 

C

+C

 

= 0;

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1

 

 

C2

= 4.

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Откуда C1 = 3,C2 = −3. Итак,

решением задачи Коши является

следующая интегральная кривая

 

 

x

 

 

 

 

 

y(x) = 3ex 3e

 

 

 

 

 

3 2x +1.