שיטות פתרון למשוואות דיפרנציאליות מסדר ראשון
Transcription
שיטות פתרון למשוואות דיפרנציאליות מסדר ראשון
שיטות פתרון למשוואות דיפרנציאליות מסדר ראשון לא כל המשוואות הדיפרנציאליות ברות פתירה היום -ובפרט מסדר ראשון ,עם זאת ישנם שיטות המאפשרות לנו לפתור את חלקן ,במסמך זה אציג את האפשרויות הדומיננטיות לפתירת משוואות דיפרנציאליות מסדר ראשון . זהו סיכום בלבד ולא יעזור למי שלא למד את החומר לפני כן. משוואה ליניארית מסדר ראשון על ידי הכפלה בגורם אינטגרציה כאשר המשוואה היא מהצורה y ' a( x )y b( x ) :אזי גורם האינטגרציה יהיה נכפיל את המשוואה בגורם זה ,ונקבל b( x ): או במילים אחרות b( x ) : a( x )dx y ]' e a( x )dx a( x )dx a( x )y e a( x )dx y ' e ) a( x a( x )dx . e e . [e מכאן מה שנותר לעשות הוא לבצע אינטגרציה ולפתור את המשוואה : ) a( x )dx y ]' dx e a( x )dx dx b( x ) dx b( x a ( x )dx y e [e a ( x )dx e משוואה נפרדה המשוואה הליניארית שהצגנו לעיל ניתנת להצגה גם בצורה y ' b( x ) a( x )y:או ) . y ' f ( x, y אם fבלתי תלויה ב yדהיינו y ' f ( x ) :אזי ,ניתן לבצע אינטגרציה . x ופתרונה הכללי של המשוואה יהיה y ( x ) f (t )dt C : דוגמא נפתור את המשוואה , 3y y ' ( x 1) y 1 :נבצע הפרדת משתנים y [1 x 3]y ' 1: dy 1 כלומר : dx 4 x 1 y נמשיך עם ההפרדה ונבצע אינטגרציה ydy 4 x dx : לפתור . © כל הזכויות שמורות , www.eMath.co.ilלפניות. info@emath.co.il : ומכאן נשאר רק משוואה מדויקת כאשר נתונה לנו משוואה מהצורה P( x, y )dx Q( x, y )dy 0 :ומתקיים Py Qx :והפונקציות Pו Qהן רציפות ובעלות נגזרות חלקיות רציפות בתחום המתאים אזי מדובר במשוואה מדויקת . במידה והמשוואה מדויקת ,אזי קיימת פונקציה ) ( x, yהנקראת פוטנציאל של המשוואה הנ" ל אשר מקיימת . x ( x, y ) P , y ( x, y ) Q : ופתרונה הכללי של המשוואה יהיה . ( x, y ) C : כיצד נגיע ל ) ? ( x, yנבצע אינטגרציה ל Pלפי xולא נשכח ש Pהיא פונקציה גם של Xוגם של . Y לכן נקבל כי . ( x, y ) P( x, y )dx C( y ) : כמו כן נתון לנו כי y ( x, y ) Qאזי נגזור את ) ( x, yלפי וואי ונשווה ל , Qוכך נמצא את ) . C( y וכל שנותר יהיה לרשום את הפתרון הכללי . ( x, y ) C : במידה ונתון לנו תנאי התחלה ,נוכל למצוא גם את. C מציאת גורם אינטגרציה נסתכל על המשוואה . P( x, y )dx Q( x, y )dy 0 : אם Py Qx Q תלוי אך ורק ב Xאזי קיים גורם אינטגרציה ) ( x שניתן לחלצו מן המשוואה ( x ) 0 : אם Py Qx P Py Qx Q . '( x ) תלוי אך ורק ב Yאז קיים גורם אינטגרציה ) . ( y שניתן לחלצו מן המשוואה ( y ) 0 : Py Qx P '( y ) © כל הזכויות שמורות , www.eMath.co.ilלפניות. info@emath.co.il : משוואת ברנולי משוואת ברנולי היא המשוואה מהצורה b( x ) y : . y ' a( x ) y כאשר אלפא קבוע כלשהו . אם 0,1אזי המשוואה היא ליניארית ופירטנו כבר כיצד לפתור אותה . בכל המקרים האחרים ,נחלק את שני האגפים ב y : 1 נשים לב כי מתקיים ( y 1 )' : 1 ולכן ,אם נציב z y 1 : ונקבל y y ' a( x ) y 1 b( x ) : . y y ' 1 נקבל z ' a( x ) z ' b( x ) : 1 וזאת בעצם משוואה ליניארית שאנחנו כבר יודעים לפתור . שיטת אד-הוק y לשיטת הד הוק יש גם שיטת הצבה ,אם נצליח להגיע במשוואה דיפרנציאלית לצורה )y ' f ( : x y zx y z ומכאן נסיק כי : אזי נציב y ' z ' x 1 z z ' x z x )z ' x z f (z dz וזוהי משוואה נפרדה ( להמיר : נציב זאת במשוואה ונקבל : z ' x f (z) z dx © כל הזכויות שמורות , www.eMath.co.ilלפניות. info@emath.co.il : ) z'