Вариант № 24
В задачах 1-9 найти общие решения уравнений и частные решения, если есть начальные условия.
1. 
. Уравнение является однородным. Сделаем замену 
Тогда 
. Получим уравнение 
, или 
, или 
. Разделяем переменные: 
. Интегрируем уравнение: 
. Получим: 
или 
. Потенцируем: 
Вернёмся к переменной Y, делая обратную замену U=Y/X: 
. Определим постоянную С из начальных условий: 
, отсюда C=−1. Подставляя это значение в общее решение, получим частное решение: 
. Ответ: 
.
2. 
. Уравнение является линейным. Решим его методом Бернулли. Будем искать решение в виде произведения Y=U∙V, где U и V неизвестные функции, определяемые в данном случае уравнениями 
и 
. Решим первое уравнение: 
или 
. Отсюда 
(произвольная постоянная добавляется при решении второго уравнения). Потенцируя, находим: 
. Подставим найденную функцию U во второе уравнение и решим его: 
или 
. Тогда 
. Таким образом, общее решение имеет вид: 
. Найдём C, исходя из начальных условий: 
. Тогда 
. Таким образом, частное решение есть 
. Ответ: 
.
3. 
. Это уравнение Бернулли. Его можно решать непосредственно как линейное уравнение, применяя метод вариации произвольной постоянной. Решим однородное уравнение: 
или 
. Отсюда находим 
. Будем предполагать, что решение исходного уравнения имеет такую же структуру, но C=C(X), т. е. 
, где C(X) – некоторая неизвестная функция. Определим эту функцию, подставляя данное (предполагаемое) решение в исходное уравнение. Найдём 
. Тогда 
. Или 
. Разделяем переменные: 
. Интегрируем уравнение:
. Следовательно, 
. Общее решение уравнения 
или 
. Из начальных условий 
, т. е. C1=1. Тогда частным решением будет 
или 
. Ответ: 
.
4. 
.
Найдём частные производные: 
, 
. Следовательно, уравнение является уравнением в полных дифференциалах. Левая часть этого уравнения представляет полный дифференциал некоторой функции U(X,Y), так что 
и 
. Проинтегрируем второе уравнение по Y:
. Таким образом, 
, где φ(X) – произвольная функция. Найдём эту функцию, пользуясь первым уравнением. С одной стороны 
. С другой стороны, . Приравнивая эти выражения, получим: 
. Отсюда, 
. Согласно уравнению, DU=0. Решением уравнения будет U(x, y)=C. В данном случае 
. Ответ: .
5. 
Уравнение второго порядка, допускающее понижение порядка. В уравнении отсутствует независимая переменная X. Сделаем замену 
. Тогда 
. Получим уравнение первого порядка: 
. Решение 
не удовлетворяет начальным условиям. Решаем уравнение 
. Это линейное уравнение. Решим его методом Бернулли: 
. Функцию U найдём из уравнения 
. Или 
. Функцию V найдём из уравнения 
. Подставляя сюда функцию U, получим: 
. Таким образом, 
. Определим постоянную C1, пользуясь начальным условием 
: 
. Следовательно, 
. Тогда 
. Определим C2, пользуясь вторым начальным условием 
: 
. Окончательно, 
или 
.
Ответ: 
.
6. 
Линейное неоднородное уравнение второго порядка. Решим уравнение методом вариации произвольных постоянных. Найдём сначала решение однородного уравнения 
Характеристическое уравнение 
имеет два корня: 
. Получаем два частных решения: 
. Общее решение однородного уравнения имеет вид: 
. Будем считать, что решение неоднородного уравнения имеет такую же структуру, но С1 и С2 являются функциями переменной Х: 
. Тогда, в соответствии с методом вариации произвольных постоянных, неизвестные функции С1(Х) и С2(Х) определяются системой уравнений: 
, где F(X) – правая часть неоднородного уравнения. В данном случае имеем систему: 
. Складывая и вычитая уравнения, получим: 
. Интегрирем:
, 
. Следовательно, решением неоднородного уравнения будет 
или 
. Теперь можно вернуться к прежним обозначениям произвольных постоянных. Положим С1=С3 и С2=С4. Окончательно, 
.
Ответ: .
7. 
. Линейное неоднородное уравнение третьего порядка. Найдём сначала решение однородного уравнения 
Характеристическое уравнение 
, или 
, имеет три корня: 
. Получаем четыре частных решений: 
. Общее решение однородного уравнения имеет вид: 
. Найдём частное решение неоднородного уравнения, исходя из структуры его правой части: 
. Здесь множитель Х обусловлен тем, что корень характеристического уравнения R=0 совпадает с коэффициентом α в экспоненте EαX, «стоящей» в правой части уравнения (α=0). Найдём производные YЧн:: 
. Подставим это в исходное уравнение: 
. Отсюда находим 
. Или 
. Следовательно, 
. Общее решение неоднородного уравнения равно сумме общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного: 
. Ответ: .
8. 
. Линейное неоднородное уравнение второго порядка. Найдём сначала решение однородного уравнения 
Характеристическое уравнение 
имеет два корня: 
. Получаем два частных решения: 
. Общее решение однородного уравнения имеет вид: 
. Найдём частное решение неоднородного уравнения, исходя из структуры его правой части: 
. Найдём производные YЧн:: 
, 
. Подставим это в исходное уравнение: 
. Отсюда находим 
или 
. Следовательно, 
. Общее решение неоднородного уравнения равно сумме общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного: 
. Воспользуемся начальными условиями: 
. По первому условию 
. Найдём 
. Тогда, по второму условию, 
. Решая систему уранений, получим: 
. Частное решение уравнения будет 
. Ответ: 
.
9. 
. Линейное неоднородное уравнение второго порядка. Найдём сначала решение однородного уравнения 
Характеристическое уравнение 
имеет два корня: 
. Получаем два частных решения: 
. Общее решение однородного уравнения имеет вид: 
. Найдём частное решение неоднородного уравнения, исходя из структуры его правой части: : 
. Найдём производные YЧн::
.
. Подставим это в исходное уравнение:
. Приравнивая коэффициенты при одинаковых функциях в левой и правой частях равенства, получим: 
. Решая систему, находим: 
. Следовательно, 
. Общее решение неоднородного уравнения равно сумме общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного: 
.
Ответ: .
10. Решить систему линейных однородных дифференциальных уравнений первого порядка с постоянными коэффициентами 
, где 
- функции от T, M – матрица коэффициентов, при начальных условиях 
:
.
Запишем систему по исходным данным:
. Ищем решение в виде 
. Тогда 
. Подставляя это в систему, получим систему алгебраических уравнений, которая определяет неизвестные коэффициенты 
: 
. Приравнивая определитель системы к нулю, получим характеристическое уравнение исходной системы: 
. Раскроем определитель: 
. Или 
. Следовательно, 
. При 
получим систему: 
. Отбросим третье уравнение, как линейно зависимое. Получим 
. Или 
. Положим 
. Тогда 
. Получили первое частное решение: 
. При 
получим систему: 
. Отбросим третье уравнение, как линейно зависимое. Получим 
. Или 
. Положим 
. Тогда 
. Получили второе частное решение: 
.
При 
получим систему: 
. Отбросим второе уравнение, как линейно зависимое. Получим 
. Положим 
. Тогда 
. Получили третье частное решение: 
. Общее решение записывается как линейная комбинация частных решений: 
.
Найдём произвольные постоянные, пользуясь начальными условиями. При T=0 получим систему: 
. Умножим первое уравнение на 2 и сложим со вторым, затем умножим первое уравнение на 3 и сложим с третьим, получим: 
. Следовательно, 
. Таким образом, частное решение системы следующее: 
. Ответ: .
11. Найти кривые, у которых площадь трапеции, ограниченной осями координат, касательной и ординатой точки касания, есть величина постоянная, равная 
.
Уравнение касательной к кривой 
в точке 
имеет вид 
. Найдём точки пересечения касательной с осью ОY. Положим X=0. Тогда 
или 
. Точка 
является точкой пересечения оси ОY. Точка пересечения оси ОХ перпендикуляром, опущенным из точки касания есть 
По условию задачи площадь трапеции 
равна . Сторону трапеции, расположенной на оси ОУ будем считать нижним основанием. Тогда верхним основанием будет перпендикуляр, опущенный на ОХ из точки касания, а высотой – сторона, лежащая на оси ОХ. Следовательно, площадь трапеции будет равна: 
Или 
. Это равенство справедливо для любой точки 
. Заменим эту точку произвольной точкой 
, лежащей на кривой . Получим: 
, или 
. Решаем однородное уравнение: 
. Предполагая, что решением неоднородного уравнения будет функция 
, найдём 
: 
. Таким образом, 
. Заменим здесь C1 на C: 
. Ответ: 
.
12. Цепь состоит из последовательно включённых источника постоянного тока напряжения 
, сопротивления 
и конденсатора ёмкости 
, причём до замыкания цепи конденсатор не заряжен. Найти силу тока 
в зависимости от времени, если падение напряжения на конденсаторе равно 
; на сопротивлении - 
.
По закону Кирхгоффа сумма напряжений в замкнутой цепи равна нулю. В данном случае 
. Путём дифференцирования перейдём к дифференциальному уравнению: 
. Известно, что в начальный момент напряжение на конденсаторе равнялось нулю. Тогда при 
исходное уравнение имеет вид: 
. Следовательно, 
. Ответ: .
| < Предыдущая | Следующая > |
|---|
