rownania rozniczkowe

rownania rozniczkowe, budownictow, matematyka, Wykłady dzienne
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1Równanieró»niczkowepierwszegorz¦du
Wielezagadnie«geometrycznych,fizycznych,ekonomicznychiinnychprowadzidoza-
le»no±ci,wktórychpojawiaj¡si¦pochodne.
Przykład
1.Znale¹¢krzyw¡dlaktórejodcinekstycznejzawartymi¦dzyosiamiukładu
współrz¦dnychdzielisi¦narównecz¦±ciwpunkciestyczno±ci.
Je»elipunktstyczno±cimawspółrz¦dne(
x,y
),toodpowiedniastycznamusiprzecina¢

Ox
wpunkcie(2
x,
0),ao±
Oy
wpunkcie(0
,
2
y
).Zatem
2
y
2
x
=tg(

)=

tg
,
gdzie
jestk¡temnachyleniastycznejdoosi
Ox
,awi¦ctg
=
y
0
.Wynikast¡d,»e
szukanafunkcjaspełniarównanie
y
=

xy
0
,
wktórymniewiadom¡jestfunkcja.
Przykład
2.Pr¦dko±¢rozpadupierwiastkapromieniotwórczegojestujemnaipropor-
cjonalnadoaktualnejmasysubstancji.Współczynnikproporcjonalno±ci
k
dladanej
substancjijeststałyiniezale»yodczasu.Wyznaczy¢zale»no±¢masyodczasu.
Je»eli
m
(
t
)oznaczamas¦wchwili
t
,toopisaneempirycznewłasno±ciprowadz¡do
zale»no±ci:
m
0
(
t
)=

km
(
t
)
.
Abyodpowiedzie¢napytanienale»yztejrówno±ciwyznaczy¢funkcj¦
m
(
t
).
Równania,którepojawiłysi¦wprzykładachnazywamyrównaniamiró»niczkowymi.
Dokładniej
Definicja1
Równaniemró»niczkowymzwyczajnympierwszegorz¦dunazywamyrówna-
niepostaci
F
(
x,y,y
0
)=0
,
(1)
czylipewienzwi¡zekmi¦dzyargumentemx,warto±ci¡funkcjiyijejpochodn¡y
0
.
Jesttoposta¢uwikłanarównania.Je»elimo»nat¦posta¢rozwikła¢,tj.otrzyma¢
y
0
=
f
(
x,y
) (2)
tomówimy,»erównaniejestwpostacinormalnej.Traktuj¡cpochodn¡jakoilorazró»-
niczek:
y
0
=
dy
dx
mo»emynapisa¢
dy

f
(
x,y
)
dx
=0
,
lubogólniej:
P
(
x,y
)
dx
+
Q
(
x,y
)
dy
=0
.
(3)
Mówimywtedyotzw.formieró»niczkowejrównaniaró»niczkowego.
Zprzykładówwida¢,wjakiegotypuzagadnieniachmo»naspodziewa¢si¦równa«ró»-
niczkowych;mianowicietam,gdziepojawiasi¦styczna(b¡d¹k¡tnachylenia)lubpr¦d-
ko±¢(szerokorozumiana).
1
 Definicja2
Rozwi¡zaniem
równaniaró»niczkowego(1)naprzedziale
(
a,b
)
nazywamy
funkcj¦ró»niczkowaln¡y
(
x
)
tak¡,»e
F
(
x,y
(
x
)
,y
0
(
x
))
0
,
dlax
2
(
a,b
)
.Wykresrozwi¡zaniarównaniaró»niczkowegonazywamyjego
krzyw¡cał-
kow¡
.
Rozwi¡zanierównanianiejestnaogółokre±lonejednoznacznie.Np.dlarównaniaz
przykładu1rozwi¡zaniamis¡funkcjepostaci
y
=
C/x
,gdzie
C
jestdowoln¡stał¡;
podobniedlarównaniazprzykładu2:funkcjepostaci
m
(
t
)=
Ce

kt
.Niejesttodziwne,
gdyu±wiadomimysobie,»eznalezieniefunkcji,gdydanajestjejpochodna,toproblem
wyznaczeniafunkcjipierwotnej(lubcałki).Dlategote»rozwi¡zywanierównanianazywa
siecz¦stocałkowaniem,asamorozwi¡zanie(zwłaszczagdyjestwpostaciuwikłanej)—
całk¡.
Definicja3
Rozwi¡zanierównaniaró»niczkowego(1)postaciy
=
f
(
x,C
)
(tzn.zawie-
raj¡cestał¡dowoln¡)nazywamyrozwi¡zaniemogólnym(b¡d¹całk¡ogóln¡).Je±listałej
Cnadamykonkretn¡warto±¢liczbow¡,tootrzymanerozwi¡zanienazywamyszczególnym
(całk¡szczególn¡).
Wybórstałejnaogółokre±lonyjestzało»eniamiproblemu.
Definicja4
Równanieró»niczkowey
0
=
f
(
x,y
)
orazwarunek
y
(
x
0
)=
y
0
nazywamyzagadnieniempocz¡tkowymlubzagadnieniemCauchy’ego.
Samwaruneknazywamywarunkiempocz¡tkowym.
Sensgeometrycznyjesttaki,»ezezbioruwszystkichkrzywychcałkowychwybieramy
t¦,któraprzechodziprzezzadanypunkt(
x
0
,y
0
)napłaszczy¹nie.
Je»eliproblemprowadz¡cydorównaniaró»niczkowegoma¹ródłofizyczne,geometryczne
czynp.biologiczne,tonaogółb¦dziewiadomo(zdroworozs¡dkowo),czyrozwi¡zanie
istnieje,ici¦»arprzeniesiesi¦najegoznalezienie.Matematykjednakzobowi¡zanyjest
doprzedstawieniawarunkówistnieniarozwi¡zania.
Twierdzenie1(istnienieijednoznaczno±¢rozwi¡zania)
Je»elifunkcjaf
(
x,y
)
oraz
jejpochodnacz¡stkowa
@f
@y
(
x,y
)
s¡ci¡głenaobszarzeD
R
2
oraz
(
x
0
,y
0
)
2
D,toza-
gadnieniepocz¡tkowe
y
0
=
f
(
x,y
)
,y
(
x
0
)=
y
0
,
madokładniejednorozwi¡zanie.
Przykłady
1.Sprawdzi¢,czydanafunkcjajestrozwi¡zaniemdanegorównania.
a)
y
=0,
y
=tg
x
,
y
=
x
2
;
y
0
=1+
y
2
.
b)
y
=0,
y
=
1
x
2
,
y
=
1
x
2
+1
;
y
0
=

2
xy
2
.
2
x
;
x
+
y
+
xy
0
=0.
d)
x
2

xy
+
y
2
=
c
2
;(
x

2
y
)
y
0
=2
x

y
.
2
c)
y
=
C
2

x
2
 2.Znanes¡całkiogólnepewnychrówna«ró»niczkowych.Znale¹¢całkiszczególnespeł-
niaj¡cedanewarunkipocz¡tkowe.
a)
x
3
y
+cos
x
=
C
,
y
(
2
)=1.
b)
y
=ln(
C

x
2
),
y
(0)=1.
3.Znale¹¢równanieró»niczkowerodzinykrzywych:
a)
y
=
C
2

x
2
2Równanieró»niczkoweozmiennychrozdzielonych
Definicja5
Równanieró»niczkowe,któremo»nazapisa¢wpostaci
y
0
=
g
(
x
)
h
(
y
)
nazywamyrównaniemozmiennychrozdzielonych.
Formaró»niczkowategorównaniato
dy
h
(
y
)
=
f
(
x
)
dx.
Abytakierównanierozwi¡za¢całkujemyobustronniejegoform¦ró»niczkow¡.Stał¡
całkowaniadopisujemytylkopojednejstronierównania.
Przykład
Rozwi¡za¢równanie
y
0
=
xy
.
dy
dx
=
xy,
dy
y
=
xdx,
Z
dy
y
=
Z
xdx,
ln
|
y
|
=
1
2
x
2
+
C,
y
=
±
exp(
1
2
x
2
+
C
)=
±
exp
C
exp(
1
2
x
2
)
.
Przyjmuj¡c
C
1
=
±
exp
C
otrzymujemyodpowied¹:
y
=
C
1
exp(
1
2
x
2
)
.
Przykład
Rozwi¡za¢równanie
dx
=
e
x
y
dy
1+
e
x
.
Przykład
Znale¹¢rozwi¡zanieszczególnerównania
y
0
sin
x

y
ln
y
=0zwarunkiem
pocz¡tkowym
y
(
2
)=1.
(odp.:ROR:ln
y
=
C
tg
x
2
,RSR:
y
=1)
Równie»równaniawyprowadzonenapocz¡tku:
y
=

xy
0
,
m
0
(
t
)=

km
(
t
)
,
s¡równaniamiozmiennychrozdzielonych.
3
2
x
.
b)
y
=
C
(
x
2

y
2
).
 2.1Równanielogistyczne
dN
dt
=
f
(
N
)
,
gdzie
f
(
N
)jestpewn¡funkcj¡.Jesttorównanieozmiennychrozdzielonych.
Gdybyzasobybyłynieograniczone,tonale»ałobyprzyj¡¢
f
(
N
)=
kN
(
k>
0—współ-
czynnikproporcjonalno±ci).Zatem
dN
dt
=
kN,
irozwi¡zanietegorównaniajestpostaci
N
(
t
)=
N
0
e
k
(
t

t
0
)
,
gdzie
N
0
jeststanempopulacjiwmomencie
t
=0.Wzrostpopulacjijestwtedywykład-
niczy.
Aleje±lizało»ymy,»etemporozwojujestproporcjonalnenietylkodoaktualnejliczeb-
no±ci,alerównie»dowielko±cidost¦pnychjeszczezasobów,tonale»yprzyj¡¢
f
(
N
)=
kN
(
a

N
)
,
gdzie
a
oznaczamaksymaln¡liczebno±¢mo»liw¡doosi¡gni¦ciawdanym±rodowisku.
Równanie
dN
dt
=
kN
(
a

N
)
,a,k>
0
,
nazywamy
równaniemlogistycznym
.Jegorozwi¡zaniejestpostaci
1+(
a
N
0

1)
e

akt
,
gdzie
N
0
=
N
(0)
.
Wykrestejfunkcjinazywamy
krzyw¡logistyczn¡
.Jakwida¢,lim
t
!1
N
(
t
)=
a
.
Przykład
Przypu±my,»estudentzara»onygryp¡wracadokampusu,wktórymmieszka
1000studentów.Załó»my,»epr¦dko±¢rozprzestrzenianiasi¦wirusajestproporcjonalna
doliczby
N
ju»zara»onych,aletak»edoliczby1000

N
zdrowych(mo»liwychdo
zara»enia).Zaobserwowano,»epo4dniachchorowało50studentów.Ilub¦dziechorych
po6dniach?
Mamyturównanielogistyczne
dN
dt
=
kN
(1000

N
)
,k>
0
,N
(0)=1
.
Zatem
N
(
t
)=
1000
1+999
e

1000
kt
.
4
Niechdanab¦dziepewnapopulacja(np.myszy,wróbli,bakterii,...).Imwi¦kszajestjej
obecnaliczebno±¢,tymwi¦cejrodzisi¦nowychosobników;alezdrugiejstronyrozwój
populacjinapotykanabarier¦wpostaciograniczonychzasobów±rodowiska.
Załó»myogólniej,»e
N
(
t
)jestliczebno±ci¡populacjiwchwili
t
,i»etempo(pr¦dko±¢)
jejrozwojujestfunkcj¡
N
,tj.
N
(
t
)=
a
 Poniewa»
N
(4)=50,wi¦c
k
mo»nawyznaczy¢zrówno±ci
50=
1000
1+999
e

4000
k
,
sk¡d
k
=

1
4000
ln19999=

0
,
0009906
,
N
(
t
)=
1000
1+999
e

0
,
9906
t
,
iotrzymujemyodpowied¹
N
(6)=
1000
1+999
e

5
,
9436
=276
.
Po6dniachb¦dziechorowa¢276studentów.
Wykonuj¡cdalszerachunkiotrzymamy
t
(dni)
N
(liczbachorych)
4 50
5 124
6 276
7 507
8 735
9 882
10 953
2.2Równaniasprowadzalnedorównaniaozmiennychrozdzie-
lonych
Równaniepostaci
y
0
=
f
(
ax
+
by
+
c
)
sprowadzamydozmiennychrozdzielonychprzypomocypodstawienia
u
=
ax
+
by
+
c
;
wtedy
u
0
=
a
+
by
0
,czyli
y
0
=
1
b
(
u
0

a
).
Przykłady
1.
y
0
=(
x
+
y
)
2
+2(
x
+
y
);
2.
y
0
=
1

x

y
y
0
=
f
(
y
x
)
nazywamy
jednorodnym
isprowadzamydozmiennychrozdzielonychprzypomocypod-
stawienia
u
=
y
x
;wtedy
y
=
ux
,czyli
y
0
=
u
0
x
+
u
.
Przykłady
1.
y
0
=
y
x
(1+ln
y
x
);
2.
y
0
=
xy
+
y
2
x
2
;
3.
y
0
=
y
(
x

y
)
x
(
x
+
y
)
.
5
x
+
y
.
Równaniepostaci
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • lemansa.htw.pl
  • Tematy
    Powered by wordpress | Theme: simpletex | © Smętna dusza może nas zabić prędzej, o wiele prędzej niż zarazek.