Заметим,
что из равенства следует, что температура тела
изменяется по закону
, или
– эта
функция является решением задачи Коши, поставленной в рассмотренном примере.
10.2.2. ОДНОРОДНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
ПЕРВОГО ПОРЯДКА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Дифференциальное уравнение первого порядка называется однородным, если его можно привести к виду
.
(10.5)
ПРИМЕРЫ. а) – однородное дифференциальное
уравнение первого порядка (это уравнение также является дифференциальным
уравнением с разделяющимися переменными);
б) – не является однородным,
так как не может быть приведено к виду (10.5);
в) . Чтобы убедиться в
том, что это однородное дифференциальное уравнение, разделим обе его части на
:
.
Теперь стало очевидным, что данное уравнение приводится к виду (10.5), то есть является однородным.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ.
Многочлен -ой степени относительно двух переменных
называется однородным многочленом,
если сумма показателей степеней во всех его одночленах одинакова и равна
.
ПРИМЕРЫ. а) – однородный многочлен
первой степени;
б) – однородный многочлен
третьей степени;
в) – однородные
многочлены второй степени;
г) – не является однородным
многочленом.
Уравнения вида , или
, где
– однородные многочлены
-ой степени, являются однородными дифференциальными
уравнениями первого порядка.
Однородное дифференциальное уравнение первого порядка сводится
к уравнению с разделяющимися переменными в результате замены переменной
по формуле: . Действительно, так как
, то
,
поэтому после выполнения подстановки уравнение (10.5) примет вид
, а дифференциальное уравнение
является уравнением с разделяющимися
переменными.
ПРИМЕР.
Решить задачу Коши .
Данное дифференциальное уравнение является однородным,
поэтому сделаем замену переменной . Тогда имеем:
– уравнение с разделяющимися переменными. Решим
его:
.
Возвращаясь к «старым»
переменным, получим общий интеграл .
Найдем решение, удовлетворяющее
начальному условию :
– искомое частное
решение.
Заметим, что если задать начальное
условие , то соответствующее частное решение будет
иметь вид
.
10.2.3. ЛИНЕЙНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
ПЕРВОГО ПОРЯДКА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Дифференциальное уравнение первого порядка называется линейным, если неизвестная функция и ее производная входят в него линейно, то есть в первой степени. Такое уравнение имеет вид
.
(10.6)
Если , то дифференциальное уравнение
называется линейным однородным дифференциальным
уравнением первого порядка (оно является также дифференциальным уравнением с
разделяющимися переменными). Если
, то уравнение
называется линейным неоднородным.
ПРИМЕРЫ.
а) – линейное неоднородное дифференциальное
уравнение;
б) – не является линейным;
в) . Разделив обе части этого дифференциального
уравнения на
, получим
– линейное дифференциальное уравнение;
г) – не является линейным.
Одним из методов решения уравнений вида
(10.6) является метод подстановки. Идея метода состоит в том, что любая
функция может быть представлена в виде произведения двух функций, одна из
которых произвольная. Например, и т.д.
Будем искать решение дифференциального уравнения
(10.6) в виде произведения двух функций: .
Найдем
и подставим в уравнение:
.
Так как первый сомножитель в произведении можно выбрать произвольно, потребуем,
чтобы функция
обращала в ноль первое слагаемое
в последнем равенстве:
. Тогда для нахождения
функций
и
получим
систему дифференциальных уравнений:
. (10.7)
Так
как функция выбирается в известном смысле произвольно,
то она является каким-либо частным решением первого уравнения системы
(10.7). Заметим, что оно является линейным однородным дифференциальным уравнением
с разделяющимися переменными.
Решив первое уравнение, подставим найденную функцию во второе дифференциальное уравнение и
найдем
, как общее решение этого уравнения.
ПРИМЕР.
Решить задачу Коши .
Пусть .
Отсюда
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.