Геометрическая теория дифференциальных уравнений изучает связь теории дифференциальных уравнений с теорией поверхностей и пространственных кривых.
Мы будем рассматривать классическую теорию интегрирования дифференциальных уравнений, а также некоторые разделы качественной теории дифференциальных уравнений, в частности, теорию устойчивости А.М. Ляпунова.
Дифференциальным уравнением называют уравнение, связывающее независимую
переменную , искомую функцию
и
её производные или дифференциалы. Дифференциальное уравнение называется обыкновенным,
если искомые функции зависят только от одного аргумента, и в частных
производных, если неизвестные функции зависят от нескольких переменных. Порядком
дифференциального уравнения называют порядок наивысшей производной (или
дифференциала), входящих в это уравнение. Если дифференциальное уравнение
представлено в виде полинома от производных, то степень его наибольшей
производной называют степенью дифференциального уравнения.
Например:
1) - обыкновенное
дифференциальное уравнение 1-го порядка 1-й степени;
2) - обыкновенное
дифференциальное уравнение 1-го порядка 4-й степени;
3) - обыкновенное
дифференциальное уравнение 3-го порядка 1-й степени;
4) - обыкновенное
дифференциальное уравнение 1-го порядка 1-й степени;
5) - обыкновенное
дифференциальное уравнение 2-го порядка 1-й степени;
6) - дифференциальное
уравнение в частных производных 1-го порядка;
7) - дифференциальное
уравнение в частных производных 2-го порядка;
Общий вид обыкновенного дифференциального уравнения n-го порядка:
, (1.1)
где - некоторая заданная функция.
Решением
дифференциального уравнения n-го порядка на интервале называется
функция
, определённая на
вместе
со своими производными до n-го порядка включительно, и такая, что её подстановка
в дифференциальное уравнение превращает последнее в тождество по
на
, т. е.:
,
.
П р и м е р 1. Показать, что функция является решением уравнения
на
.
Р е ш е н и е. Вычисляем :
,
. Подставляем
и
в уравнение
ч.т.д.
Процесс нахождения решений называется интегрированием дифференциальных уравнений. График решения дифференциального уравнения называется интегральной кривой этого уравнения.
Общим решением дифференциального уравнения n-го порядка называют функцию вида:
, (1.2)
которая
является решением этого уравнения и содержит столько произвольных постоянных , каков порядок этого уравнения. Эту же
функцию, но записанную в неявном виде,
(1.3)
называют общим интегралом дифференциального уравнения (1.1).
Частным решением дифференциального уравнения называют решение, получаемое из общего
решения (1.2) при конкретном выборе значений произвольных постоянных .
Задачей Коши для некоторого дифференциального уравнения называют задачу нахождения частного решения этого уравнения, удовлетворяющего заданным начальным условиям.
Соотношение, полученное из общего интеграла (1.3) при
конкретных значениях произвольных постоянных ,
называют частным интегралом дифференциального уравнения (1.1).
П р и м е р 2. Решить дифференциальное уравнение . Интегрируем
или
(
) – общий интеграл уравнения. Общее решение
-
. Положив, например,
получим частный интеграл
и частное решение
.
Вопрос составления дифференциальных уравнений по условию задачи состоит в нахождении зависимости между переменными величинами и их приращениями. При этом важное и подчас главенствующее значение имеет знание законов той области науки с которой связана природа изучаемой задачи. Так, например, в механике это могут быть законы Ньютона, в теории электрических цепей – законы Кирхгофа и т.д. Универсального метода составления дифференциальных уравнений, пригодного во всех случаях, указать нельзя. Можно дать лишь некоторые общие рекомендации. В большинстве случаев методика решения прикладных задач на составление дифференциальных уравнений сводится к следующему:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.