Обыкновенные дифференциальные уравнения второго порядка и системы обыкновенных дифференциальных уравнений
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Российский университет транспорта
Автор:
Ефремова Наталия Алексеевна
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 20
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
Артикул: 788079.01.99
В учебно-методическом пособии представлены обыкновенные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами и простейшие системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. Кратко дается теоретическая основа, затем - иллюстрации на примерах, и в заключении - тесты для самопроверки.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 08.03.01: Строительство
- ВО - Специалитет
- 08.05.01: Строительство уникальных зданий и сооружений
- 08.05.02: Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей
- 08.05.03: Строительство, эксплуатация, восстановление и техническое прикрытие автомобильных дорог, мостов и тоннелей
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский университет транспорта (МИИТ)» ___________________________________________ Институт пути, строительства и сооружений Кафедра «Математический анализ» Н.А.Ефремова ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА И СИСТЕМЫ ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ Учебно-методическое пособие к практическим занятиям по дисциплине «Высшая математика» Москва - 2018
Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский университет транспорта (МИИТ)» ___________________________________________ Институт пути, строительства и сооружений Кафедра «Математический анализ» Н.А.Ефремова ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА И СИСТЕМЫ ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ Учебно-методическое пособие для студентов строительных специальностей Москва - 2018
УДК 517 Е 90 Ефремова Н.А. Обыкновенные дифференциальные уравнения второго порядка и системы обыкновенных дифференциальных уравнений: Учебно-методическое пособие к практическим занятиям по математике. - М.: РУТ (МИИТ), 2018. - 20 с. В учебно-методическом пособии представлены обыкновенные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами и простейшие системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. Кратко дается теоретическая основа, затем – иллюстрации на примерах, и в заключении – тесты для самопроверки. Рецензент: О.А.Платонова, к.ф.-м.н., доцент, зав. кафедрой «Высшая и вычислительная математика» РУТ (МИИТ) © РУТ (МИИТ), 2018
Неоднородные линейные обыкновенные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами. Линейным неоднородным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами называется уравнение вида y”+a1y’+a2y=f(x), содержащее неизвестную функцию у=у(х) и её производные у’, у”; а1 и а2=const. Общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка представляется в виде суммы у=у0+у*, где у0 – общее решение соответствующего линейного однородного уравнения y”+a1y’+a2y=0, y* - частное решение неоднородного уравнения. Для построения общего решения линейного однородного уравнения составляется характеристическое уравнение: k2+a1k+a2=0. Это алгебраическое уравнение той же степени, что и порядок дифференциального уравнения (второй степени), получается из исходного уравнения формальной заменой i - производной числом ki.
В зависимости от вида корней общее решение у0 будет иметь различный вид. Если корни k1, k2 действительны и различны, тогда x k x k e C å Ñ ó 2 1 2 1 0 Если корни комплексные k1=α+iβ, k2=α-iβ, тогда ) cos sin ( 2 1 0 x Ñ x Ñ e y x Если действительные корни кратны (k1=k2=k), тогда kx kx xe C å Ñ ó 2 1 0 При некоторых специальных видах правой части f(x) применим метод подбора частного решения у*. Рассмотрим эти случаи. I) f(x) = Pn(x) eαx, где Pn(x) - многочлен n - й степени. а) α – не является корнем характеристического уравнения для соответствующего однородного уравнения, тогда частное решение ищем в виде: у*=Qn(x)eαx, Qn(x) - многочлен n - й степени; б) α – простой корень характеристического уравнения для соответствующего однородного уравнения,
тогда частное решение ищем в виде: у*=Qn(x)xeαx, Qn(x) - многочлен n - й степени; в) α – кратный корень характеристического уравнения для соответствующего однородного уравнения, тогда частное решение ищем в виде: у*=Qn(x)eαxх2. II) f(x) = P(x)eαxcosβx+ Q(x)eαxsinβx а) Если α+iβ не является корнем характеристического уравнения для соответствующего однородного уравнения, тогда частное решение ищем в виде: у*=U(x)eαxcosβx+V(x)eαxsinβx, где U(x), V(x) - многочлены, степень которых равна наивысшей степени многочленов P(x) и Q(x); б) α+iβ является корнем характеристического уравнения для соответствующего однородного уравнения, тогда частное решение ищем в виде: у*=(U(x)eαxcosβx+
V(x)eαxsinβx)х, где U(x), V(x) - многочлены, степень которых равна наивысшей степени многочленов P(x) и Q(x). Процедура подбора неопределённых коэффициентов показана на примере. Пример 1. Решить уравнение у”-2y’=x3-1. 1) Решаем сначала соответствующее однородное уравнение у”-2y’=0. Составляем характеристическое уравнение: k2-2k=0. Корни этого уравнения k1=0, k2=2 – действительны и различны. Общее решение однородного уравнения запишется в виде: x e C Ñ ó 2 2 1 0 . 2) Находим частное решение неоднородного уравнения методом подбора. Правая часть (многочлен третьей степени) относится к первому случаю. Сравнивая функцию f(x) = х3 - 1 с выражением f(x) = Pn(x) eαx , заключаем,
что n=3, а α=0. Сравниваем α=0 с корнями характеристического уравнения. Так как α=k1, то частное решение принимаем в виде у* = х(Ах3+Вх2+Сх+D), где А, В, С и D – неопределённые коэффициенты. Подставляем это выражение в исходное уравнение и приравниваем коэффициенты при одинаковых степенях х в левой и правой частях получающегося равенства: у* = Ах4+Вх3+Сх2+Dх; (у*)’= 4Ах3+3Вх2+2Сх+D; (у*)”= 12Ах2+6Вх+2С; (у*)”-2(у*)’= 12Ах2+6Вх+2С-8Ах3-6Вх2-4Сх-2D= х3 - 1 или-8Ах3+(12А-6В)х2+(6В-4С)х-2D= х3 - 1 Решаем систему алгебраических уравнений: 1 2 0 6 12 1 8 D B A A Находим коэффициенты: А=-1/8, В=-1/4, С=-3/8, D=1/2.
Поэтому x x x x ó 2 1 8 3 4 1 8 1 2 3 4 * Общим решением уравнения является функция: x x x x e C Ñ ó x 2 1 8 3 4 1 8 1 2 3 4 2 2 1 Пример 2. Решить уравнение у”-2у’=3sin2x. 1) Общее решение однородного уравнения совпадает с примером 1. 2) Находим частное решение неоднородного уравнения, сравнивая правую часть f(x) = 3sin2x с выражением случая II): f(x) = P(x)eαxcosβx+ Q(x)eαxsinβx. Получаем β=2, P=0, Q=3. Сравнивая мнимое число βi=2i с корнями характеристического уравнения, заключаем, что оно не совпадает ни с одним из корней (оба корня действительны). Поэтому принимаем у*= Аcos2x+ Вsin2x,
где А и В – неопределённые коэффициенты. Процедура вычисления коэффициентов А и В имеет вид: у*= Аcos2x+ Вsin2x; (у*)’=-2Аsin2x+ 2Вcos2x; (у*)”=-4Аcos2x-4Вsin2x; (у*)”-2(у*)’=-4Аcos2x-4Вsin2x+4Аsin2x-4Вcos2x=3sin2x или (-4А-4В)cos2x+(4А-4В)sin2x=3sin2x. Приравнивая коэффициенты в обеих частях получившегося тригонометрического равенства при cos2x и sin2x соответственно, получим систему: ,3 4 4 0 4 4 B A B A откуда следует А=3/8, В=-3/8. Поэтому частное решение исходного уравнения имеет вид: ). 2 sin 2 (cos 8 3 * x x ó Общее решение запишется в виде: ). 2 sin 2 (cos 8 3 2 2 1 x x e C Ñ ó x