สมการเชิงอนุพันธ์ทั่วไป สมการเชิงอนุพันธ์เอกพันธ์ของลำดับแรก

สมการเชิงอนุพันธ์ในฟังก์ชันทั่วไป

ให้มีสมการ. ถ้า เป็นฟังก์ชันธรรมดา แล้วคำตอบของมันคือแอนติเดริเวทีฟ นั่นก็คือ ให้ตอนนี้เป็นฟังก์ชันทั่วไป

คำนิยาม. ฟังก์ชันทั่วไปเรียกว่าฟังก์ชันทั่วไปทั่วไปถ้า ถ้า เป็นฟังก์ชันทั่วไปแบบเอกพจน์ ก็มีหลายกรณีที่แอนติเดริเวทีฟเป็นฟังก์ชันทั่วไปทั่วไปได้ ตัวอย่างเช่น แอนติเดริเวทีฟคือ; แอนติเดริเวทีฟเป็นฟังก์ชัน และการแก้สมการสามารถเขียนได้ในรูปแบบ: , โดยที่

มีสมการเชิงเส้นลำดับที่ 3 ที่มีค่าสัมประสิทธิ์คงที่

ฟังก์ชันทั่วไปอยู่ที่ไหน อนุญาต เป็นพหุนามเชิงอนุพันธ์ของลำดับที่

คำนิยาม. ผลเฉลยทั่วไปของสมการเชิงอนุพันธ์ (8) คือฟังก์ชันทั่วไปที่มีความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้:

ถ้า เป็นฟังก์ชันต่อเนื่อง ดังนั้นคำตอบเดียวของสมการ (8) คือคำตอบดั้งเดิม

คำนิยาม. ผลเฉลยพื้นฐานของสมการ (8) คือฟังก์ชันทั่วไปใดๆ ในลักษณะนั้น

ฟังก์ชันของกรีนเป็นคำตอบพื้นฐานที่เป็นไปตามเงื่อนไขขอบเขต เริ่มต้น หรือเส้นกำกับ

ทฤษฎีบท. คำตอบของสมการ (8) มีอยู่และมีรูปแบบดังนี้

เว้นแต่จะมีการนิยามการบิดงอ

การพิสูจน์. จริงหรือ, . ตามคุณสมบัติการบิดมีดังนี้:

จะเห็นได้ง่ายว่าคำตอบพื้นฐานของสมการนี้คือ เนื่องจาก

คุณสมบัติของอนุพันธ์ทั่วไป

การดำเนินการหาความแตกต่างเป็นแบบเส้นตรงและต่อเนื่องตั้งแต่ถึง:

ในถ้าใน;

ฟังก์ชันทั่วไปทุกฟังก์ชันสามารถหาอนุพันธ์ได้อย่างไม่สิ้นสุด แท้จริงแล้วหากเป็นเช่นนั้น ในทางกลับกัน ฯลฯ ;

ผลลัพธ์ของการสร้างความแตกต่างไม่ได้ขึ้นอยู่กับลำดับของการสร้างความแตกต่าง ตัวอย่างเช่น, ;

ถ้า และ แล้ว สูตรของไลบนิซสำหรับการสร้างความแตกต่างของผลิตภัณฑ์นั้นใช้ได้ ตัวอย่างเช่น, ;

หากเป็นฟังก์ชันทั่วไป ดังนั้น

ถ้าอนุกรมที่ประกอบด้วยฟังก์ชันที่บูรณาการเฉพาะที่มาบรรจบกันในแต่ละชุดที่มีขนาดกะทัดรัด ก็จะสามารถแยกความแตกต่างแบบทีละเทอมได้ไม่จำกัดจำนวนครั้ง (เป็นฟังก์ชันทั่วไป) และอนุกรมผลลัพธ์จะมาบรรจบกัน

ตัวอย่าง. อนุญาต

ฟังก์ชันนี้เรียกว่าฟังก์ชันเฮวิไซด์หรือฟังก์ชันหน่วย สามารถอินทิเกรตได้ภายในเครื่อง และดังนั้นจึงถือได้ว่าเป็นฟังก์ชันทั่วไป คุณสามารถหาอนุพันธ์ของมันได้ ตามคำจำกัดความคือ .

ฟังก์ชันทั่วไปที่สอดคล้องกับรูปแบบกำลังสองที่มีค่าสัมประสิทธิ์เชิงซ้อน

จนถึงขณะนี้ มีการพิจารณาเฉพาะรูปแบบกำลังสองที่มีค่าสัมประสิทธิ์จำนวนจริงเท่านั้น ในส่วนนี้ เราจะศึกษาอวกาศของรูปกำลังสองทั้งหมดที่มีค่าสัมประสิทธิ์เชิงซ้อน

ภารกิจคือการกำหนดฟังก์ชันทั่วไปโดยที่ - จำนวนเชิงซ้อน. อย่างไรก็ตาม ในกรณีทั่วไป จะไม่มีฟังก์ชันการวิเคราะห์เฉพาะของ ดังนั้น ในปริภูมิของรูปแบบกำลังสองทั้งหมด "ครึ่งระนาบบน" ของรูปแบบกำลังสองที่มีส่วนจินตภาพที่แน่นอนที่เป็นบวกจะถูกแยกออก และฟังก์ชันจะถูกกำหนดสำหรับพวกมัน กล่าวคือ หากรูปแบบกำลังสองเป็นของ "ครึ่งระนาบ" ก็จะถือว่าอยู่ที่ไหน ฟังก์ชันดังกล่าวเป็นฟังก์ชันการวิเคราะห์เฉพาะของ

ตอนนี้เราสามารถเชื่อมโยงฟังก์ชันกับฟังก์ชันทั่วไปได้แล้ว:

โดยที่จะมีการบูรณาการทั่วทั้งพื้นที่ อินทิกรัล (13) มาบรรจบกันที่ และเป็นฟังก์ชันการวิเคราะห์ของครึ่งระนาบนี้ การวิเคราะห์ฟังก์ชันนี้ต่อไปจะมีการกำหนดฟังก์ชันสำหรับค่าอื่น ๆ

สำหรับรูปแบบกำลังสองที่มีส่วนจินตภาพบวกแน่นอน จะพบจุดเอกพจน์ของฟังก์ชันและคำนวณค่าคงเหลือของฟังก์ชันเหล่านี้ที่จุดเอกพจน์

ฟังก์ชันทั่วไปในเชิงวิเคราะห์ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์ของรูปกำลังสองเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์ของรูปกำลังสองด้วย ดังนั้นจึงเป็นฟังก์ชันการวิเคราะห์ใน “ครึ่งระนาบ” ตอนบนของรูปแบบกำลังสองทั้งหมดของรูปแบบซึ่งมีรูปแบบที่แน่นอนที่เป็นบวก ดังนั้นจึงถูกกำหนดโดยไม่ซ้ำกันโดยค่าของมันบน "กึ่งแกนจินตภาพ" นั่นคือบนชุดของรูปแบบกำลังสองของรูปแบบ โดยที่ รูปแบบที่แน่นอนเชิงบวก

แน่นอน 1 ประเภท DU

เรียกว่า สมการเชิงอนุพันธ์เอกพันธ์ของลำดับที่หนึ่ง(โอดียู).

ท.1 ให้ตรงตามเงื่อนไขต่อไปนี้สำหรับฟังก์ชัน:

1) ต่อเนื่องที่

จากนั้น ODE (1) จะมีอินทิกรัลทั่วไปซึ่งกำหนดโดยสูตร:

อยู่ที่ไหนบ้าง แอนติเดริเวทีฟของฟังก์ชัน กับเป็นค่าคงที่ตามอำเภอใจ

หมายเหตุ 1หากตรงตามเงื่อนไขบางประการในกระบวนการแก้ไข ODE (1) วิธีแก้ปัญหาของแบบฟอร์มอาจหายไปกรณีดังกล่าวจะต้องได้รับการปฏิบัติอย่างระมัดระวังมากขึ้นและต้องตรวจสอบแต่ละกรณีแยกกัน

ดังนั้นจากทฤษฎีบท ท1ควร อัลกอริธึมทั่วไปสำหรับการแก้ ODE (1):

1) ทำการเปลี่ยน:

2) ดังนั้นจะได้สมการเชิงอนุพันธ์กับตัวแปรที่แยกได้ซึ่งควรนำมาบูรณาการ

3) กลับสู่ตัวแปร gvariable เก่า

4) ตรวจสอบค่าการมีส่วนร่วมในโซลูชัน รีโมทคอนโทรลเดิมโดยจะเป็นไปตามเงื่อนไข

5) เขียนคำตอบ

ตัวอย่างที่ 1แก้ DE (4)

สารละลาย: DE (4) เป็นสมการเชิงอนุพันธ์เอกพันธ์เนื่องจากมีรูปแบบ (1) มาทำการเปลี่ยนแปลง (3) กัน จะได้สมการ (4) มาในรูปแบบ:

สมการ (5) คืออินทิกรัลทั่วไปของ DE (4)

โปรดทราบว่าเมื่อแยกตัวแปรและหารด้วย คำตอบอาจสูญหายได้ แต่นี่ไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาสำหรับ DE (4) ซึ่งสามารถตรวจสอบได้อย่างง่ายดายโดยการแทนที่โดยตรงให้เป็นความเท่าเทียมกัน (4) เนื่องจากค่านี้ไม่รวมอยู่ในขอบเขตของคำจำกัดความ ของ DE เดิม

คำตอบ:

โน้ต 2บางครั้งคุณสามารถเขียน ODE ในรูปของค่าอนุพันธ์ของตัวแปรได้ เอ็กซ์และ ยู.ขอแนะนำให้ย้ายจากสัญลักษณ์ของรีโมทคอนโทรลไปเป็นนิพจน์ผ่านอนุพันธ์แล้วจึงดำเนินการเปลี่ยนใหม่ (3)

สมการเชิงอนุพันธ์ลดลงเป็นสมการเอกพันธ์

แน่นอน 2 ฟังก์ชันนี้เรียกว่า ฟังก์ชันเอกพันธ์ของดีกรี k ในพื้นที่ซึ่งจะทำให้ได้รับความเท่าเทียมกัน:

ต่อไปนี้เป็นสมการเชิงอนุพันธ์ประเภททั่วไปที่สามารถลดให้เหลือรูปแบบ (1) ได้หลังการแปลงต่างๆ

1) ฟังก์ชั่นอยู่ที่ไหน เป็นเนื้อเดียวกัน องศาเป็นศูนย์นั่นคือความเท่าเทียมกันนั้นถูกต้อง: DE (6) จะลดลงเป็นรูปแบบ (1) ได้อย่างง่ายดายหากเราใส่ ซึ่งจะถูกรวมเข้าด้วยกันเพิ่มเติมโดยใช้การแทนที่ (3)

2) (7) โดยที่ฟังก์ชันเป็นเนื้อเดียวกันในระดับเดียวกัน เค . DE ของแบบฟอร์ม (7) ยังถูกรวมเข้าด้วยกันโดยใช้การทดแทน (3)

ตัวอย่างที่ 2แก้ DE (8)

สารละลาย:ให้เราแสดงว่า DE (8) เป็นเนื้อเดียวกัน ลองหารด้วยสิ่งที่เป็นไปได้ เนื่องจากมันไม่ใช่คำตอบของ DE (8)

มาทำการเปลี่ยนแปลง (3) กัน จะได้สมการ (9) มาในรูปแบบ:

สมการ (10) คืออินทิกรัลทั่วไปของ DE (8)

โปรดทราบว่าเมื่อแยกตัวแปรและหารด้วย คำตอบที่สอดคล้องกับค่าของและอาจสูญหายได้ ลองตรวจสอบนิพจน์เหล่านี้กัน ลองแทนที่พวกมันลงใน DE (8):

คำตอบ:

เป็นที่น่าสนใจที่จะทราบว่าเมื่อแก้ไขตัวอย่างนี้ ฟังก์ชันจะปรากฏขึ้นเรียกว่า "เครื่องหมาย" ของตัวเลข เอ็กซ์(อ่านว่า " ซิกนัม x") กำหนดโดยนิพจน์:

หมายเหตุ 3ไม่จำเป็นต้องลด DE (6) หรือ (7) เป็นรูปแบบ (1) หากเห็นได้ชัดว่า DE เป็นเนื้อเดียวกันคุณสามารถทำการเปลี่ยนได้ทันที

3) DE ของแบบฟอร์ม (11) จะถูกรวมเข้าเป็น ODE ถ้า และดำเนินการทดแทนในขั้นต้น:

(12) โดยที่คำตอบของระบบคือ (13) จากนั้นใช้การแทนที่ (3) สำหรับฟังก์ชัน หลังจากได้รับอินทิกรัลทั่วไปแล้วก็จะกลับไปยังตัวแปร เอ็กซ์และ ที่.

ถ้า จากนั้น สมมติว่าอยู่ในสมการ (11) เราจะได้สมการเชิงอนุพันธ์ที่มีตัวแปรที่แยกออกได้

ตัวอย่างที่ 3แก้ไขปัญหาคอชี่ (14)

สารละลาย:ให้เราแสดงว่า DE (14) ลดลงเป็น DE ที่เป็นเนื้อเดียวกันและบูรณาการตามรูปแบบข้างต้น:

ให้เราแก้ระบบสมการพีชคณิตเชิงเส้นแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (15) โดยใช้วิธีแครมเมอร์:

มาทำการเปลี่ยนแปลงตัวแปรและรวมสมการผลลัพธ์:

(16) – อินทิกรัลทั่วไปของ DE (14) เมื่อแบ่งตัวแปร ผลเฉลยอาจสูญหายไปเมื่อหารด้วยนิพจน์ ซึ่งสามารถหาได้อย่างชัดเจนหลังจากการแก้โจทย์แล้ว สมการกำลังสอง. อย่างไรก็ตาม จะนำมาพิจารณาในอินทิกรัลทั่วไป (16) ที่

เรามาหาวิธีแก้ไขปัญหา Cauchy กัน: แทนที่ค่าและอินทิกรัลทั่วไป (16) แล้วค้นหา กับ.

ดังนั้นอินทิกรัลบางส่วนจะได้มาจากสูตร:

คำตอบ:

4) มีความเป็นไปได้ที่จะลดสมการเชิงอนุพันธ์บางส่วนให้เป็นสมการเอกพันธ์สำหรับฟังก์ชันใหม่ที่ยังไม่ทราบ หากเราใช้การทดแทนรูปแบบ:

ในกรณีนี้คือหมายเลข มจะถูกเลือกจากเงื่อนไขที่ว่าถ้าเป็นไปได้สมการที่ได้จะกลายเป็นเนื้อเดียวกันในระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตามหากไม่สามารถทำได้ DE ที่อยู่ระหว่างการพิจารณาจะไม่สามารถลดให้เป็นเนื้อเดียวกันได้ด้วยวิธีนี้

ตัวอย่างที่ 4แก้ DE (18)

สารละลาย:ให้เราแสดงว่า DE (18) ถูกรีดิวซ์เป็น DE ที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยใช้การทดแทน (17) และถูกรวมเข้าเพิ่มเติมโดยใช้การทดแทน (3):

มาหากัน. กับ:

ดังนั้นคำตอบเฉพาะของ DE (24) จึงมีรูปแบบ

.
สมการเชิงอนุพันธ์.

§ 1. แนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ

คำจำกัดความ 1.สมการเชิงอนุพันธ์สามัญ n– ลำดับที่สำหรับฟังก์ชัน ยการโต้แย้ง xเรียกว่าความสัมพันธ์ของรูป

ที่ไหน เอฟ– ฟังก์ชั่นที่กำหนดของการโต้แย้ง ในนามของสมการทางคณิตศาสตร์ประเภทนี้ คำว่า "ดิฟเฟอเรนเชียล" เน้นว่าสมการเหล่านี้รวมอนุพันธ์ด้วย
(ฟังก์ชันที่เกิดขึ้นจากความแตกต่าง) คำว่า "สามัญ" บ่งชี้ว่าฟังก์ชันที่ต้องการนั้นขึ้นอยู่กับอาร์กิวเมนต์จริงเพียงอาร์กิวเมนต์เดียวเท่านั้น

สมการเชิงอนุพันธ์สามัญต้องไม่มีอาร์กิวเมนต์ที่ชัดเจน x, ฟังก์ชั่นที่ต้องการ
และอนุพันธ์ใด ๆ ของมัน แต่เป็นอนุพันธ์สูงสุด
จะต้องรวมอยู่ในสมการ n- ลำดับที่ ตัวอย่างเช่น

ก)
– สมการอันดับหนึ่ง

ข)
– สมการลำดับที่สาม

เมื่อเขียนสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ มักใช้สัญลักษณ์อนุพันธ์ในรูปของดิฟเฟอเรนเชียล:

วี)
– สมการอันดับสอง

ช)
– สมการอันดับหนึ่ง

เครื่องกำเนิดหลังจากการหารด้วย ดีเอ็กซ์รูปแบบเทียบเท่าของการระบุสมการ:
.

การทำงาน
เรียกว่าคำตอบของสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ หากเมื่อแทนที่เข้าไปแล้ว จะกลายเป็นเอกลักษณ์

เช่น สมการลำดับที่ 3

มีทางแก้
.

การค้นหาด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง เช่น การเลือก ฟังก์ชันหนึ่งที่ทำให้สมการไม่ได้หมายถึงการแก้สมการ การแก้สมการเชิงอนุพันธ์สามัญหมายถึงการค้นหา ทั้งหมดฟังก์ชันที่สร้างเอกลักษณ์เมื่อแทนที่ลงในสมการ สำหรับสมการ (1.1) ตระกูลของฟังก์ชันดังกล่าวจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้ค่าคงที่ใดๆ และเรียกว่าคำตอบทั่วไปของสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ n-ลำดับที่ และจำนวนค่าคงที่เกิดขึ้นพร้อมกับลำดับของสมการ: วิธีแก้ทั่วไปอาจเป็นได้ แต่ไม่ได้หาค่าคงที่อย่างชัดเจนด้วยความเคารพต่อ ย(x) : ในกรณีนี้ คำตอบมักเรียกว่าอินทิกรัลทั่วไปของสมการ (1.1)

เช่น ผลเฉลยทั่วไปของสมการเชิงอนุพันธ์
เป็นนิพจน์ต่อไปนี้: และเทอมที่สองยังสามารถเขียนเป็นได้
เนื่องจากค่าคงที่ตามอำเภอใจ หารด้วย 2 สามารถแทนที่ด้วยค่าคงที่ใหม่ได้ตามใจชอบ .

ด้วยการกำหนดค่าที่ยอมรับได้บางส่วนให้กับค่าคงที่ตามอำเภอใจทั้งหมดในวิธีแก้ปัญหาทั่วไปหรืออินทิกรัลทั่วไปเราได้รับฟังก์ชันบางอย่างที่ไม่มีค่าคงที่ตามใจชอบอีกต่อไป ฟังก์ชันนี้เรียกว่าผลเฉลยบางส่วนหรืออินทิกรัลบางส่วนของสมการ (1.1) ในการค้นหาค่าของค่าคงที่ตามอำเภอใจและดังนั้นจึงใช้วิธีแก้ปัญหาเฉพาะจึงใช้เงื่อนไขเพิ่มเติมต่างๆ สำหรับสมการ (1.1) เช่น เงื่อนไขที่เรียกว่าเงื่อนไขเริ่มต้นสามารถระบุได้ที่ (1.2)

ทางด้านขวามือของเงื่อนไขเริ่มต้น (1.2) จะมีการระบุค่าตัวเลขของฟังก์ชันและอนุพันธ์และจำนวนเงื่อนไขเริ่มต้นทั้งหมดเท่ากับจำนวนค่าคงที่ที่กำหนดโดยพลการ

ปัญหาในการหาคำตอบเฉพาะของสมการ (1.1) ตามเงื่อนไขตั้งต้น เรียกว่าปัญหาคอชี

§ 2. สมการเชิงอนุพันธ์สามัญของลำดับที่ 1 - แนวคิดพื้นฐาน

สมการเชิงอนุพันธ์สามัญของลำดับที่ 1 ( n=1) มีรูปแบบ:
หรือหากสามารถแก้ไขได้ด้วยอนุพันธ์:
. การตัดสินใจร่วมกัน ย= ย(x,กับ)หรืออินทิกรัลทั่วไป
สมการลำดับที่ 1 มีค่าคงที่หนึ่งค่า เงื่อนไขเริ่มต้นเดียวสำหรับสมการลำดับที่ 1
ช่วยให้คุณสามารถกำหนดค่าคงที่จากโซลูชันทั่วไปหรือจากอินทิกรัลทั่วไปได้ ดังนั้นจะพบวิธีแก้ปัญหาเฉพาะหรือปัญหา Cauchy จะได้รับการแก้ไขเช่นเดียวกัน คำถามเกี่ยวกับการดำรงอยู่และเอกลักษณ์ของการแก้ปัญหาคอชีคือคำถามสำคัญประการหนึ่ง ทฤษฎีทั่วไปสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ สำหรับสมการลำดับที่ 1 โดยเฉพาะ ทฤษฎีบทนั้นใช้ได้ ซึ่งเป็นที่ยอมรับในที่นี้โดยไม่มีข้อพิสูจน์

ทฤษฎีบท 2.1ถ้าในสมการเป็นฟังก์ชัน
และอนุพันธ์ย่อยของมัน
อย่างต่อเนื่องในบางภูมิภาค ดีเครื่องบิน เอ็กซ์อยและในบริเวณนี้มีการระบุจุด
แล้วจะมีคำตอบเฉพาะที่ตรงใจทั้งสมการและเงื่อนไขเริ่มต้น
.

ในเชิงเรขาคณิต ผลเฉลยทั่วไปของสมการลำดับที่ 1 คือตระกูลเส้นโค้งบนระนาบ เอ็กซ์อยไม่มีจุดร่วมและแตกต่างกันในพารามิเตอร์เดียว - ค่าของค่าคงที่ ค. เส้นโค้งเหล่านี้เรียกว่าเส้นโค้งอินทิกรัลสำหรับสมการที่กำหนด เส้นโค้งสมการอินทิกรัลมีคุณสมบัติทางเรขาคณิตที่ชัดเจน: ในแต่ละจุด ค่าแทนเจนต์ของแทนเจนต์กับเส้นโค้งจะเท่ากับค่าของด้านขวาของสมการที่จุดนั้น:
. กล่าวอีกนัยหนึ่ง สมการจะได้รับในระนาบ เอ็กซ์อยสนามทิศทางของแทนเจนต์กับเส้นโค้งอินทิกรัล ความคิดเห็น:ควรสังเกตว่าถึงสมการ
สมการและสมการที่เรียกว่าสมการจะได้รับในรูปแบบสมมาตร
.

§ 3. สมการเชิงอนุพันธ์ของลำดับที่ 1 พร้อมตัวแปรที่แยกได้

คำนิยาม.สมการเชิงอนุพันธ์ที่มีตัวแปรที่แยกได้คือสมการของรูปแบบ
(3.1)

หรือสมการตามรูปแบบ (3.2)

เพื่อแยกตัวแปรออกเป็นสมการ (3.1) ได้แก่ ลดสมการนี้ให้เหลือเรียกว่า สมการตัวแปรแยกกัน ให้ทำดังนี้

;

ตอนนี้เราต้องแก้สมการ ก(ย)= 0 . ถ้ามันมีวิธีแก้จริงๆ ย= ก, ที่ ย= กจะเป็นคำตอบของสมการ (3.1) ด้วย

สมการ (3.2) ลดลงเหลือสมการตัวแปรแยกกันโดยการหารด้วยผลคูณ
:

ซึ่งช่วยให้เราได้อินทิกรัลทั่วไปของสมการ (3.2):
. (3.3)

เส้นโค้งอินทิกรัล (3.3) จะถูกเสริมด้วยคำตอบ
หากมีวิธีแก้ไขดังกล่าวอยู่

แก้สมการ: .

เราแยกตัวแปร:

.

บูรณาการเราได้รับ

เพิ่มเติมจากสมการ
และ
เราพบ x=1, ย=-1. โซลูชันเหล่านี้เป็นโซลูชันส่วนตัว

§ 4. สมการเชิงอนุพันธ์เอกพันธ์ของลำดับที่ 1

คำจำกัดความ 1.สมการลำดับที่ 1 เรียกว่าเอกพันธ์ถ้าอยู่ทางด้านขวาของสมการใดๆ
อัตราส่วนนั้นถูกต้อง
เรียกว่าสภาวะความเป็นเนื้อเดียวกันของฟังก์ชันของตัวแปรสองตัวที่มีมิติเป็นศูนย์

ตัวอย่างที่ 1แสดงฟังก์ชันนั้น
- มิติเป็นศูนย์ที่เป็นเนื้อเดียวกัน

สารละลาย.

,

Q.E.D.

ทฤษฎีบท.ฟังก์ชั่นใดๆ
- เป็นเนื้อเดียวกันและในทางกลับกันฟังก์ชันที่เป็นเนื้อเดียวกันใด ๆ
มิติที่เป็นศูนย์จะลดลงเหลืออยู่ในรูปแบบ
.

การพิสูจน์.

ข้อความแรกของทฤษฎีบทนั้นชัดเจนเพราะว่า
. ลองพิสูจน์ข้อความที่สอง มาใส่กันเถอะ
แล้วสำหรับฟังก์ชันเอกพันธ์
ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นต้องได้รับการพิสูจน์

คำจำกัดความ 2สมการ (4.1)

ซึ่งใน มและ เอ็น– ฟังก์ชันเอกพันธ์ในระดับเดียวกัน เช่น มีทรัพย์สินสำหรับทุกคน เรียกว่าเป็นเนื้อเดียวกัน

แน่นอนว่าสมการนี้สามารถลดทอนให้อยู่ในรูปได้เสมอ
(4.2) แม้ว่าจะแก้ปัญหาได้ คุณไม่จำเป็นต้องทำเช่นนี้

สมการเอกพันธ์จะลดลงเป็นสมการที่มีตัวแปรที่แยกกันได้โดยการแทนที่ฟังก์ชันที่ต้องการ ยตามสูตร ย= zx, ที่ไหน z(x) – ฟังก์ชั่นใหม่ที่จำเป็น เมื่อทำการทดแทนในสมการ (4.2) เราจะได้รับ:
หรือ
หรือ
.

เมื่ออินทิเกรต เราจะได้อินทิกรัลทั่วไปของสมการที่เกี่ยวข้องกับฟังก์ชัน z(x)
ซึ่งหลังจากเปลี่ยนซ้ำแล้วซ้ำอีก
ให้อินทิกรัลทั่วไปของสมการดั้งเดิม นอกจากนี้หาก - รากของสมการ
แล้วตามด้วยฟังก์ชัน
- การแก้สมการที่กำหนดให้เป็นเนื้อเดียวกัน ถ้า
จากนั้นสมการ (4.2) จะอยู่ในรูปแบบ

และกลายเป็นสมการที่มีตัวแปรที่แยกไม่ออก โซลูชั่นเป็นแบบกึ่งตรง:
.

ความคิดเห็นบางครั้งก็แนะนำให้ใช้การทดแทนแทนการทดแทนข้างต้น x= ซี่.

§ 5. สมการเชิงอนุพันธ์ลดลงเป็นสมการเนื้อเดียวกัน

พิจารณาสมการของแบบฟอร์ม
. (5.1)

ถ้า
แล้วนี่คือสมการโดยใช้การทดแทน โดยที่ และ - ตัวแปรใหม่และ - ตัวเลขคงที่บางตัวกำหนดจากระบบ

ลดลงเหลือสมการเอกพันธ์

ถ้า
จากนั้นสมการ (5.1) จะอยู่ในรูปแบบ

.

เชื่อ z= ขวาน+ โดย, เรามาถึงสมการที่ไม่มีตัวแปรอิสระ

ลองดูตัวอย่าง

ตัวอย่างที่ 1

สมการอินทิกรัล

และเน้นเส้นโค้งอินทิกรัลที่ผ่านจุด: a) (2;2); ข) (1;-1)

สารละลาย.

มาใส่กันเถอะ ย= zx. แล้ว ดี้= xdz+ zdxและ

มาย่อให้สั้นลงกันเถอะ และรวบรวมสมาชิกได้ที่ ดีเอ็กซ์และ ดีซ:

มาแยกตัวแปรกัน:

.

บูรณาการเราได้รับ ;

หรือ
,
.

แทนที่ที่นี่ zบน เราได้อินทิกรัลทั่วไปของสมการที่กำหนดในรูปแบบ (5.2)
หรือ

.

นี่คือครอบครัวของแวดวง
ซึ่งมีจุดศูนย์กลางอยู่บนเส้นตรง ย = xและที่จุดกำเนิดสัมผัสกับเส้นตรง ย + x = 0. เส้นนี้ย = - x ในทางกลับกัน คำตอบเฉพาะของสมการ

ตอนนี้โหมดของปัญหา Cauchy:

A) ใส่อินทิกรัลทั่วไปเข้าไป x=2, ย=2, เราพบ ค=2,ดังนั้นวิธีแก้ปัญหาที่ต้องการจะเป็น
.

B) ไม่มีวงกลมใด (5.2) ผ่านจุด (1;-1) แต่เป็นแบบกึ่งตรง ย = - x,
ผ่านจุดและให้คำตอบที่ต้องการ

ตัวอย่างที่ 2แก้สมการ: .

สารละลาย.

สมการนี้เป็นกรณีพิเศษของสมการ (5.1)

ปัจจัยกำหนด
วี ในตัวอย่างนี้
เราจึงต้องตัดสินใจ ระบบต่อไปนี้

กำลังแก้ไขเราเข้าใจแล้ว
. กำลังแสดงอยู่ใน สมการที่กำหนดการแทน
เราได้รับสมการเอกพันธ์ บูรณาการโดยใช้การทดแทน
เราพบ
.

กลับไปสู่ตัวแปรเก่า xและ ยตามสูตร
, เรามี .

§ 6. สมการเอกพันธ์ทั่วไป

สมการ ม(x, ย) ดีเอ็กซ์+ เอ็น(x, ย) ดี้=0 เรียกว่าเนื้อเดียวกันทั่วไปหากสามารถเลือกตัวเลขดังกล่าวได้ เคว่าด้านซ้ายของสมการนี้กลายเป็นฟังก์ชันเอกพันธ์ในระดับหนึ่ง มค่อนข้าง x, ย, ดีเอ็กซ์และ ดี้โดยมีเงื่อนไขว่า xถือเป็นค่าของมิติที่หนึ่ง ย – เคการวัดครั้งที่ , ดีเอ็กซ์และ ดี้ – ตามลำดับศูนย์และ (เค-1) การวัดครั้งที่ ตัวอย่างเช่น นี่จะเป็นสมการ
. (6.1)

ใช้ได้ภายใต้สมมติฐานที่ทำขึ้นเกี่ยวกับการวัด

x, ย, ดีเอ็กซ์และ ดี้สมาชิกทางด้านซ้าย
และ ดี้จะมีมิติ -2,2 ตามลำดับ เคและ เค-1. เมื่อเทียบกันแล้วเราได้รับเงื่อนไขที่ต้องเป็นไปตามจำนวนที่ต้องการ เค: -2 = 2เค=เค-1. เงื่อนไขนี้จะเป็นที่น่าพอใจเมื่อ เค= -1 (ด้วยสิ่งนี้ เคทุกพจน์ทางด้านซ้ายของสมการที่พิจารณาจะมีมิติเป็น -2) ดังนั้น สมการ (6.1) จึงมีลักษณะทั่วไปเป็นเนื้อเดียวกัน

สมการเอกพันธ์ทั่วไปจะลดลงเป็นสมการที่มีตัวแปรที่แยกได้โดยใช้การทดแทน
, ที่ไหน z– ฟังก์ชั่นใหม่ที่ไม่รู้จัก ให้เรารวมสมการ (6.1) โดยใช้วิธีที่ระบุ เพราะ เค= -1 แล้ว
หลังจากนั้นเราจะได้สมการ

เราพบการรวมเข้าด้วยกัน
, ที่ไหน
. นี่คือคำตอบทั่วไปของสมการ (6.1)

§ 7. สมการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นของลำดับที่ 1

สมการเชิงเส้นลำดับที่ 1 คือสมการที่เป็นเส้นตรงโดยสัมพันธ์กับฟังก์ชันที่ต้องการและอนุพันธ์ของฟังก์ชันนั้น ดูเหมือนว่า:

, (7.1)

ที่ไหน ป(x) และ ถาม(x) – ให้ฟังก์ชันต่อเนื่องของ x. ถ้าฟังก์ชั่น
, สมการ (7.1) มีรูปแบบ:
(7.2)

และเรียกว่าสมการเอกพันธ์เชิงเส้น
มันถูกเรียกว่าสมการแบบไม่เอกพันธ์เชิงเส้น

สมการเชิงอนุพันธ์เอกพันธ์เชิงเส้น (7.2) เป็นสมการที่มีตัวแปรที่แยกออกได้:

(7.3)

นิพจน์ (7.3) คือคำตอบทั่วไปของสมการ (7.2) เพื่อหาคำตอบทั่วไปของสมการ (7.1) โดยที่ฟังก์ชัน ป(x) หมายถึงฟังก์ชันเดียวกันกับในสมการ (7.2) เราใช้เทคนิคที่เรียกว่าวิธีการแปรผันของค่าคงที่ตามอำเภอใจและประกอบด้วยสิ่งต่อไปนี้: เราจะพยายามเลือกฟังก์ชัน ค=ค(x) ดังนั้นคำตอบทั่วไปของสมการเอกพันธ์เชิงเส้น (7.2) จะเป็นคำตอบของสมการเชิงเส้นแบบไม่เอกพันธ์ (7.1) จากนั้นสำหรับอนุพันธ์ของฟังก์ชัน (7.3) เราได้รับ:

.

แทนที่อนุพันธ์ที่พบเป็นสมการ (7.1) เราจะได้:

หรือ
.

ที่ไหน
โดยที่ค่าคงที่ตามอำเภอใจ ผลที่ได้คือคำตอบทั่วไปของสมการเชิงเส้นแบบไม่เอกพันธ์ (7.1) จะเป็น (7.4)

เทอมแรกในสูตรนี้แสดงถึงผลเฉลยทั่วไป (7.3) ของสมการเชิงอนุพันธ์เอกพันธ์เชิงเส้น (7.2) และเทอมที่สองของสูตร (7.4) คือผลเฉลยเฉพาะของสมการเอกพันธ์เชิงเส้นตรง (7.1) ซึ่งได้มาจากสมการทั่วไป ( 7.4) ด้วย
. เราเน้นข้อสรุปที่สำคัญนี้ในรูปแบบของทฤษฎีบท

ทฤษฎีบท.ถ้าทราบคำตอบเฉพาะของสมการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้นแบบไม่เอกพันธ์เชิงเส้น
แล้วคำตอบอื่นๆ ทั้งหมดจะมีรูปแบบ
, ที่ไหน
- คำตอบทั่วไปของสมการเชิงอนุพันธ์เอกพันธ์เชิงเส้นที่สอดคล้องกัน

อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าในการแก้สมการเชิงอนุพันธ์แบบไม่เอกพันธ์เชิงเส้นของลำดับที่ 1 (7.1) มีการใช้วิธีอื่นบ่อยกว่า ซึ่งบางครั้งเรียกว่าวิธีเบอร์นูลลี เราจะหาคำตอบของสมการ (7.1) ในรูปแบบ
. แล้ว
. แทนที่อนุพันธ์ที่พบลงในสมการดั้งเดิม:
.

ให้เรารวมพจน์ที่สองและสามของนิพจน์สุดท้ายเข้าด้วยกันแล้วแยกฟังก์ชันออกมา ยู(x) ด้านหลังวงเล็บ:
(7.5)

เราต้องการให้วงเล็บเป็นโมฆะ:
.

ให้เราแก้สมการนี้โดยตั้งค่าคงที่ตามใจชอบ คเท่ากับศูนย์:
. ด้วยฟังก์ชันที่ค้นพบ โวลต์(x) กลับไปที่สมการ (7.5):
.

เมื่อแก้ไขแล้วเราจะได้:
.

ดังนั้นการแก้สมการทั่วไป (7.1) จึงมีรูปแบบดังนี้

§ 8. สมการของเบอร์นูลลี

คำนิยาม.

สมการเชิงอนุพันธ์ของแบบฟอร์ม
, ที่ไหน
เรียกว่าสมการเบอร์นูลลี

สมมุติว่า
ให้หารทั้งสองข้างของสมการเบอร์นูลลีด้วย . เป็นผลให้เราได้รับ:
(8.1)

ขอแนะนำฟังก์ชั่นใหม่
. แล้ว
. ให้เราคูณสมการ (8.1) ด้วย
และไปที่ฟังก์ชันกันดีกว่า z(x) :
, เช่น. สำหรับฟังก์ชั่น z(x) ได้สมการเชิงเส้นตรงของลำดับที่ 1 สมการนี้แก้ไขได้โดยใช้วิธีการที่กล่าวถึงในย่อหน้าก่อนหน้า ให้เราแทนที่เป็นวิธีแก้ปัญหาทั่วไปแทน z(x) การแสดงออก
เราได้อินทิกรัลทั่วไปของสมการเบอร์นูลลี ซึ่งหาคำตอบได้ง่ายด้วยความเคารพ ย. ที่
มีการเพิ่มโซลูชัน ย(x)=0 . สมการของเบอร์นูลลีสามารถแก้ไขได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนมาใช้สมการเชิงเส้นด้วยการแทนที่
และใช้วิธีเบอร์นูลลี กล่าวถึงในรายละเอียดใน มาตรา 7. ลองพิจารณาการใช้วิธีนี้เพื่อแก้สมการเบอร์นูลลีโดยใช้ตัวอย่างเฉพาะเจาะจง

ตัวอย่าง.ค้นหาคำตอบทั่วไปของสมการ:
(8.2)

สารละลาย.

ดังนั้นคำตอบทั่วไปของสมการนี้จึงมีรูปแบบดังนี้
, ย(x)=0.

§ 9. สมการเชิงอนุพันธ์ในผลต่างรวม

คำนิยาม.ถ้าอยู่ในสมการ ม(x, ย) ดีเอ็กซ์+ เอ็น(x, ย) ดี้=0 (9.1) ทางด้านซ้ายคือผลต่างรวมของฟังก์ชันบางฟังก์ชัน ยู(x, ย) แล้วจึงเรียกว่าสมการเชิงอนุพันธ์รวม สมการนี้สามารถเขียนใหม่ได้เป็น ดู่(x, ย)=0 ดังนั้นอินทิกรัลทั่วไปของมันคือ ยู(x, ย)= ค.

ตัวอย่างเช่นสมการ เอ็กซ์ดี้+ ydx=0 มีสมการในผลต่างรวม เนื่องจากสามารถเขียนใหม่ในรูปแบบได้ ง(เอ็กซ์ซี)=0. อินทิกรัลทั่วไปจะเป็น เอ็กซ์ซี= ค- ฟังก์ชั่นหาอนุพันธ์โดยพลการ ให้เราแยกความแตกต่าง (9.3) ด้วยความเคารพต่อคุณ
§ 10. ปัจจัยบูรณาการ

ถ้าสมการ ม(x, ย) ดีเอ็กซ์ + เอ็น(x, ย) ดี้ = 0 ไม่ใช่สมการเชิงอนุพันธ์รวมและมีฟังก์ชันอยู่ µ = µ(x, ย) เมื่อคูณทั้งสองข้างของสมการแล้ว เราก็จะได้สมการนั้น

µ(Mdx + Ndy) = 0ในผลต่างรวมเช่น µ(Mdx + Ndy)ดู่จากนั้นฟังก์ชัน µ(x, ย) เรียกว่าตัวประกอบการอินทิเกรตของสมการ ในกรณีที่สมการนั้นเป็นสมการในผลต่างรวมอยู่แล้ว เราจะถือว่า ไมโคร = 1.

หากพบปัจจัยการอินทิเกรต µ จากนั้นการอินทิเกรตของสมการนี้จะลดลงเหลือเพียงการคูณทั้งสองข้างด้วย µ และการหาอินทิกรัลทั่วไปของสมการผลลัพธ์ในดิฟเฟอเรนเชียลรวม

ถ้า µ เป็นฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้อย่างต่อเนื่องของ xและ ย, ที่
.

ตามมาด้วยปัจจัยการอินทิเกรต µ เป็นไปตามสมการอนุพันธ์ย่อยอันดับ 1 ต่อไปนี้:

(10.1).

หากรู้ล่วงหน้าแล้วว่า µ= µ(ω) , ที่ไหน ω – ได้รับฟังก์ชันจาก xและ ยจากนั้นสมการ (10.1) ลดเหลือเป็นสมการธรรมดา (และยิ่งกว่านั้นคือสมการเชิงเส้น) ที่มีฟังก์ชันที่ไม่รู้จัก µ บนตัวแปรอิสระ ω :

(10.2),

ที่ไหน
กล่าวคือ เศษส่วนเป็นฟังก์ชันของเท่านั้น ω .

การแก้สมการ (10.2) เราจะพบปัจจัยการอินทิเกรต

, กับ = 1.

โดยเฉพาะสมการ ม(x, ย) ดีเอ็กซ์ + เอ็น(x, ย) ดี้ = 0 มีปัจจัยบูรณาการที่ขึ้นอยู่กับเท่านั้น x(ω = x) หรือจากเท่านั้น ย(ω = ย) หากตรงตามเงื่อนไขต่อไปนี้:

,

,
.