Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
DDR 4 p.190-249.pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
469.97 Кб
Скачать

If a particle of mass m moves in a line with acceleration a, under the influence of several applied forces whose resultant is F, then, in accordance

with Newton’s law of motion, we have F = ma, where a = dvdt and v represents

velocity.

The differential equations are used to solve other rate problems.

T1. Typical problems

1. Solve the separable differential equation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xydx (1 x 2 ) ln ydy 0 .

 

Solution. Division by

y(1 x2 ) 0 gives variables separable:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

dx

 

ln y

dy 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

integrating this, we get

 

 

 

 

1 ln

 

 

 

 

 

 

1 ln 2 y C .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

x 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The given equation has the other singular solution

2.

Find

 

 

the

general

 

solution

 

 

and

also

the

particular solution of

y

 

y

 

through the point

 

y(0)

e .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Separating the variables, we obtain

 

 

 

 

 

 

 

 

dy

=

 

 

 

y

 

,

ò dy

= ò

 

 

 

 

 

dx

 

,

ln

 

y

 

arcsin x C .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

1-x

2

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

1-x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Substituting of (0, e) in the general solution gives

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln e arcsin 0 C C 1 .

 

Hence, ln

 

y

 

arcsin x 1 is a particular solution for (0, e).

 

 

3. Find the general integral of

y

¢

 

 

 

 

x(1+ y2 )

 

 

 

 

 

 

= y(1+ x2 ) .

 

 

 

Solution. Separating the variables, we obtain

y(1+x2 ) dydx = x(1+ y2 ) , 1+ydyy2 = 1+xdxx2 ,

12 ln(1+ y2 ) = 12 ln(1+x2 ) + 12 ln C , 1+ y2 =C(1+ x2 )

197

is the general integral of y

¢

 

x(1+ y2 )

 

 

 

= y(1+x2 ) .

 

 

 

 

 

4. Solve the equation

y

y2

 

 

 

.

 

 

xy x2

 

 

Solution. Since the equation is homogeneous, write

y xu(x) , dy

x du

u .

 

 

 

 

dx

dx

 

Substituting these values for y and y in the equation, we get

 

x

du

+u =

 

u2 x2

 

 

 

,

x

du

u

 

 

u 2

 

 

 

 

,

x

du

=

 

u

 

,

 

 

 

 

dx

 

x2u -x2

 

dx

 

 

u

1

dx

u

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u 1

du dx ,

 

 

u ln

 

u

 

ln

 

x

 

ln

 

C

 

,

 

 

u ln

 

Cxu

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

x

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Replacing u by its equal

 

, we have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y x ln

 

Cy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Find the general solution of

y

 

 

 

 

x 2y 3

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution.

 

 

Finding the

determinant

 

 

=

 

1

 

 

 

2

 

4 0 . Since

0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

transforming this to the homogeneous equation substituting

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x t ,

 

 

y v .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

By (3.4), we get 2 3 0,

 

then 1,

 

 

 

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Thus

 

 

2 2 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dy

 

 

 

 

 

 

 

d (v 1)

 

 

dv .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x t 1,

y v 1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

d(t 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Substituting the values of t and v, we obtain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dv

 

 

t 1 2v 2 3

, or

 

 

dv

t 2v

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2t 2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

2t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Since this equation is homogeneous, write

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v ut,

 

 

u u(t),

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u t u.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Then

 

t

2ut

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

du

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u t u

 

 

 

; u t

u

 

2

 

 

 

 

; u t

2

; 2

 

dt

t

;

 

 

 

2du

t .

 

2t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

198

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hence

u 12 ln | Ct | , or v 12 t ln | Ct | . Replacing t and v by x – 1 and y – 1, we have

 

y 1

1

(x 1) ln

| C(x 1) | ,

 

або y 1

1

(x 1) ln | C(x 1) | .

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

6. Solve the equation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2x 4y 3)dy (x 2y 1)dx 0 .

 

Solution. Transform this to the form

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

x 2y 1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x 4 y 3

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

0 . That is why substitute z x 2 y . Hence

The determinant

 

 

 

 

 

2

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

dy

 

dy

 

 

1

æ

 

ö

 

 

 

 

 

 

 

=1+

2

,

=

çdz

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ç

 

-1÷,

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

dx

 

dx

 

 

2

ç

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

èdx

ø

 

 

1

æ

 

ö

 

 

 

 

z +1

 

 

dz

 

4z +5

 

2z +3

 

 

çdz

 

÷

 

 

 

 

,

 

 

,

dz = dx ,

 

ç

-1÷=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

ç

 

÷

 

 

2z +3

 

 

dx

 

2z +3 4z +5

 

 

èdx

 

ø

 

 

 

 

 

 

 

ò (1+

1

 

)dz = 2ò dx , z

1 ln

 

4z 5

 

2x C / 4 ,

 

 

 

4z +5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4z ln 4z 5 8x C ,

ln 4x 8y 5 4x 8y C is the general integral of the given equation. 7. Find the general solution of y xy sinx x .

Solution. This equation has the form (3.5) and we can use the Bernoulli’s method:

 

 

y =u(x)v(x) ,

dy

= du v +u dv

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

dx

dx

 

 

 

 

du

 

dv

 

uv

 

sin x

æ

 

 

ö

 

dv

 

sin x

 

v +u

+

=

çdu

+

u ÷

 

=

,

 

 

 

 

, ç

 

÷v +u

 

 

 

dx

 

dx

 

x

 

x

ç

 

 

÷

 

dx

 

x

 

 

 

 

èdx

 

x ø

 

 

 

du u ,

 

du dx ,

 

u

1

,

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

x

dx

 

 

u

 

 

 

 

 

dv

 

sin x

 

 

dv

 

sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dv

 

 

 

u

 

 

 

;

u

dx

 

x

;

 

sin x;

 

dx

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

Namely, the general solution is

u 1 ,x

v cos x C.

199

y 1x (C cos x).

8. Solve

y

2x

2

 

 

y y

 

0 .

x2 1

 

Solution. This is the Bernoulli’s equation. To solve it, we first divide it by y2 and obtain

 

 

 

 

y

 

 

 

2x

 

 

1 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

x2 1

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This form suggests the substitution

 

 

 

1 ,

dy

 

 

1

 

dz .

 

 

 

z = y-1 . Then

y =

=-

 

 

dx

z2

 

 

Substituting, we get

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

2x

 

 

1

dz

2x 1

 

1

 

0 or

 

 

 

z 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 1 z

 

z 2

dx

 

x2 1

 

z 2 dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The last equation has the form (3.5) and we can use the Lagrange’s method. First find the general solution of the homogeneous equation:

dz

 

 

2x

 

z

0

,

 

dz

 

 

 

2x

 

dx ,

 

dz

 

d(x2 1)

,

dx

x

2

 

 

 

z

 

x

2

 

 

 

z

x

2

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln | z | ln | C | ln(x2 1) ,

 

 

z C(x2 1).

 

 

 

Since С is an unknown function of x , namely C =C(x) , then

 

 

 

z =C(x)(x2 +1) ,

 

 

dz

 

dC

(x 2 1) 2xC(x) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Substituting this in

dz

 

 

2x

 

z

0 , we get

 

 

 

 

 

 

dx

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dC

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2

1) C(x)2x

 

 

 

C(x)(x2 1) 1,

 

 

 

 

dx

 

x2

 

 

 

therefore

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dC

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

Then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

x2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C(x)

 

arctg x C

( C const ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

x2 1

Thus,

1/ y z (arctg x C1 )(x2 1) ,

or

200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

Finally,

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yex + y2 =C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y (arctg x C )(x2

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

is the general solution of the given equation.

 

 

 

 

 

y 0.

 

The given equation has another singular solution

 

9. Solve the equation

yex dx +( y +ex )dy = 0.

 

 

 

Solution. From §1.5, it appears that an equation

 

 

 

 

is exact (3.11) if

 

 

 

 

Mdx + Ndy = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

N .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

In our case, we have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дM

 

 

дN

 

M (x, y) ye x ,

N (x, y) y e x ;

e x ,

e x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дy

 

 

дx

 

Therefore M

N , and the equation is exact. Consequently,

y

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дu

M (x, y) ye

x

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дu N (x, y) y e x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Integrating of the first equation with respect to x gives

 

 

 

 

u ye x dx ye x

( y).

 

 

 

( 3.17 )

Differentiating with respect to y gives

 

дu

 

 

x

 

 

 

 

y : дy e

 

( y) , or

 

e

x

 

 

 

 

x

,

¢

( y) = y ,

y 2

C .

 

 

( y) y e

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

Thus,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u ye x

y 2

C .

 

 

 

 

 

is the general solution of the given equation (C const).

201

10. A curve is passing through М (1; 2). Any its tangent intercepts with straight line у=1 at the point where the abscissa is half of the abscissa at the tangent point. Find the equation of its curve.

Solution. Let (х, у) be any point lying on Y the curve (Fig. 3.1). The equation of the tangent at (х, у) is

 

 

 

 

 

 

x) ,

 

 

 

 

 

 

Y y y (X

y

М

 

 

where Х,

Y are the set

of points in the

 

 

1

 

 

 

coordinate plane of the tangent. As the given

 

 

 

 

 

 

 

tangent intercepts the line Y = 1 at point 2х,

О

х 2х

 

 

therefore

 

 

 

 

 

dy

Х

 

¢

 

 

 

 

Fig. 3.1

 

 

1- y

(2x -x) , або

x dx =1- y .

 

 

 

= y

 

 

 

 

This is the variables separable differential equation. Thereafter

 

 

 

 

dy

 

=- dx , ln | y -1|=-ln | x | +ln C ,

y -1= C .

 

 

 

 

y -1

 

 

 

 

x

 

 

x

 

 

If the curve which we find is passing through М(1; 2), we obtain С = 1. Hence, y = 1x +1 is the found curve (hyperbola).

11. A particle of 1 кg mass moves along a straight line under the influence of several applied forces whose resultant is proportional to the time from the moment t 0 , and disproportional of the velocity of it. There is the velocity 50

м/seс and the force 4 N at the moment of time t 10 seс. Find the speed of the particle after 2min from rest.

Solution. In accordance with Newton’s law of motion, we have F ma ,

where acceleration a dv . In our case

F = dv . Simultaneous by the equation

 

 

 

 

dt

dt

F k

t

occurs, where

k from 4 k 10

is k = 20. Comparing the right parts of

v

 

 

 

50

 

F = dv

and F = 20

t

, we then write our differential equation of motion in

v

dt

 

 

 

the form

dvdt 20 vt .

This is the variables separable differential equation. Thereafter v 20t 2 C .

202

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]