Transcript bronk
Równanie różniczkowe zupełne i równania do niego sprowadzalne Bronk Przemysław Definicja: Niech dane funkcję M i N będą funkcjami klasy C 1 W pewnym płaskim obszarze jednospójnym D. Równanie różniczkowe pierwszego rzędu postaci: M ( x, y )dx N ( x, y )dy 0 (1) 1 nazywamy równanie różniczkowym zupełnym, gdy istnieje taka różniczkowalna funkcja u=u(x,y) klasy C 2 że: u u N ( x, y ) ( x, y) D M ( x, y ) y x Wiadomo, że taka funkcja istnieje wtedy i tylko wtedy, gdy zachodzi warunek : M N y x ( x, y) D (2) Gdy warunek (2)jest spełniony to równanie (1) można zapisać w postaci: du( x, y) 0 a stąd wynik, że u( x, y) C jest rozwiązanie ogólnym równania (1). Załóżmy że równanie (1) nie jest rownaniem zupełnym. W pewnych przypadkach możemy wyznaczyć taka funkcję µ klasy C1 w obszarze D, że równanie: ( x, y)M ( x, y)dx ( x, y) N ( x, y)dy 0 będzie równaniem zupełnym. Funkcje µ nazywamy czynnikiem całkującym równania (1). Funkcja µ jest czynnikiem całkującym wtedy i tylko wtedy gdy w obszarze D jest spełniony warunek: ( M ) ( N ) y x Co prowadzi do następującego związku: M N M N y y x x co dalej po uporządkowaniu: N M M N y x x y (3) Funkcja µ jest czynnikiem całkującym równania (1), gdy spełniona jest równość (3).Dodamy tutaj założenie, że funkcja µ jest funkcją tylko jednej zmiennej tzn. zmiennej x lub y , gdyż w przeciwnym przypadku rozwiązanie jest trudne do wyznaczenia. (A) Załóżmy że µ=µ(x). To oznacza, że y 0 i równanie (3) przyjmuje postać: 1 1 M N x N y x (4) Jeżeli wyrażenie po prawej stronie równania (4) jest funkcją tylko jednej zmiennej x, to czynnik całkujący ma postać: A ( x ) dx ( x) e , gdzie A( x) 1 M N . N y x (B) Załóżmy że µ=µ(y). To oznacza, że x 0 i równanie (3) przyjmuje postać: 1 1 y M M N y x (5) Jeżeli wyrażenie po prawej stronie równania (5) jest funkcją tylko jednej zmiennej y, to czynnik całkujący ma postać: B ( y ) dy ( y) e , gdzie B( y ) 1 M M N . x y Można też szukać czynnika całkującego w postaci ( x, y) x p y q , gdzie stałe p i q należy wyznaczyć. W tym przypadku nie będę wypisywać ogólnego wzoru, tylko pokaże praktycznie, jak postępować, aby taki czynnik całkujący wyznaczyć. Może się okazać, że równanie różniczkowe może mieć wiele czynników całkujących. Przykład 1: Wyznaczyć całkę ogólną równania różniczkowego ( y cos x x )dx ( y sin x)dy 0 2 Sprawdzam warunek (2) N M cos x cos x x y M N y x w całej płaszczyźnie, wiec jest to równanie zupełne. Ponadto wiemy, że u y cos x x 2 , x u y sin x y Całkując drugie równanie względem y, otrzymujemy: y2 u y sin x ( x) 2 Aby wyznaczyć funkcję , obliczamy ux i porównujemy ją z funkcją M, więc u y cos x ' y cos x x 2 x czyli: x3 2 ' ( x) x i stąd ( x) C1. 3 zatem rozwiązanie ogólne określa wyrażenie: y2 x3 y sin x C 2 3 Przykład 2: Wyznaczyć całkę ogólną równania różniczkowego ( y 2 x y 3 )dx (1 y 2 x)dy 0 Łatwo sprawdzić, że nie jest to równanie zupełne, gdyż M y 2 yx 3y 2 , N x y 2 a więc M y N x Szukamy czynnika całkującego. Zauważmy, że wyrażenie M y Nx N 2 y( x y) 1 y2 x nie jest funkcją tylko zmiennej x, więc nie istnieje czynnik całkujący µ=µ(x). Ponieważ wyrażenie: M y Nx M 2 y ( y x) 2 B( y ) y 2 ( x y) y jest funkcją tylko zmiennej y więc czynnik całkujący istnieje i 2 ma postać: dy ( y) e y 1 y2 Mnożymy obie strony równania wyjściowego przez czynnik całkujący, wiec: ( x y)dx ( y 2 x)dy 0 Otrzymane równanie jest równaniem zupełnym, zatem: u y x y więc u 1 x 2 xy ( y) 2 Stąd 2 u y x ' ( y) y 2 x, czyli ' ( y) y całkując ' ( y) względem y, mamy ( y) y 1 C1 a więc całka ogólna jest opisana wzorem: 1 2 1 x yx C 2 y Przykład 3: Wyznaczyć całkę ogólną równania różniczkowego ydx x( x 2 y 1)dy 0 Łatwo sprawdzić, że nie istnieją czynniki całkujące zależne tylko od jednej zmiennej x lub y. Szukamy czynnika p q całkującego w postaci ( x, y) x y . Mnożąc równanie przez funkcję , otrzymujemy x p y q1dx ( x p3 y q1 x p1 y q )dy 0 (6) Przyjmujemy oznaczenie M * ( x, y) x p y q1 N * ( x, y) x p3 y q1 x p1 y q i wyznaczamy M (q 1) x y * y p q N x* ( p 3) x p2 y q1 ( p 1) x p y q Łatwo zauważyć, że otrzymane równanie będzie równaniem zupełnym wtedy i tylko wtedy, gdy M *y N x* . Stąd, p q x porównując współczynniki przy wyrażeniach: y i x p2 y q1 otrzymamy następujący układ równań x p yq q 1 ( p 1) x p2 y q1 0 p3 Oczywiście q=1, p= -3 jest rozwiązaniem tego układu 3 ( x , y ) x y równań, a więc jest szukanym czynnikiem całkującym i równanie zupełne (6) ma postać: x 3 y 2dx ( y 2 x 2 y)dy 0 Rozwiązując to równanie, mamy : ux x 3 y 2 czyli u 1 x 2 y 2 ( y ) więc 2 u y x2 y ' ( y) y 2 x2 y oraz ' ( y) y 2 ( y) 1 3 y C1 3 Stąd wynika, że całka ogólna jest dana wzorem 1 2 2 1 3 x y y C 2 3 Literatura: • Jankowska K., Jankowski T.: Zadania z matematyki wyższej, Wydawnictwo PG: Gdańsk 1999