Дифференциальные уравнения. - 14 стр.

UptoLike

Рубрика: 

14 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Применяя к уравнению (38) замену переменных (36), мы получаем уравнение с разделяющи-
мися переменными
6
dp
p
p
1 + p
2
=
a
v
·
dy
y
. (39)
Из условий задачи следует, что величина p = y
отрицательна, и поэтому
dp
p
p
1 + p
2
=
dp
p
2
q
1 +
1
p
2
.
Поэтому, интегрируя (39) получаем
ln
1
p
+
r
1
p
2
+ 1
=
a
v
(ln|y| + c).
Если предположить, что в начальный момент времени преследователь и преследуемый имели
одну и ту же ординату y
0
, то последнее равенство перепишется в виде
1
p
+
r
1
p
2
+ 1 =
y
y
0
a
v
.
Из последнего уравнения следует, что
2
p
=
y
y
0
a
v
y
y
0
a
v
,
или
dx =
1
2

y
y
0
a
v
y
y
0
a
v
.
Считая, что a < v, т.е. что преследователь может догнать цель, получаем решение в виде
x =
y
0
2
"
y
y
0
1+
a
v
1
1 +
a
v
y
y
0
1
a
v
1
1
a
v
#
+ x
0
,
где x
0
абсцисса в начальный момент времени. При этом абсцисса точки встречи есть
x
1
= x
0
+ y
0
av
v
2
a
2
,
а продолжительность погони
T =
y
0
v
v
2
a
2
.
3.5. Линейные уравнения первого порядка
Определение 3. Дифференциальное уравнение вида
a
k
(x)y
(k)
+ a
k1
(x)y
(k1)
+ ··· + a
1
(x)y
+ a
0
(x)y = b(x) (40)
называется линейным. В случае, если b(x) = 0, линейное уравнение называется однородным, в
противном случае неоднородным. Аналогичным образом, система дифференциальных уравне-
ний
a
1
1k
(x)y
(k)
1
+ ··· + a
n
1k
(x)y
(k)
n
+ ··· + a
1
10
(x)y
1
+ ··· + a
n
10
(x)y
n
= b
1
(x),
......................
a
1
nk
(x)y
(k)
1
+ ··· + a
n
nk
(x)y
(k)
n
+ ··· + a
1
n0
(x)y
1
+ ··· + a
n
n0
(x)y
n
= b
n
(x)
(41)
называется линейной, и эта система однородна, если все функции b
1
, . . . , b
n
, стоящие в её правой
части, равны нулю.
Множества решений линейных уравнений обладают следующими важными свойствами. Сфор-
мулируем их для скалярных уравнений.
6
Деля на p, мы потеряли решение y = const, но оно не представляет интереса, поскольку соответствует движению
преследователя по той же прямой, что и преследуемый.
14                                     ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ

  Применяя к уравнению (38) замену переменных (36), мы получаем уравнение с разделяющи-
мися переменными6
                                         dp        a dy
                                      p          = · .                              (39)
                                     p 1+p    2    v y
Из условий задачи следует, что величина p = y ′ отрицательна, и поэтому
                                                                     dp
                                                     dp              p2
                                                 p            = −q             .
                                             p       1 + p2          1+   1
                                                                          p2

Поэтому, интегрируя (39) получаем
                                    1 r 1            a
                                 ln     +        + 1   = (ln|y| + c).
                                     p       p2            v
Если предположить, что в начальный момент времени преследователь и преследуемый имели
одну и ту же ординату y0 , то последнее равенство перепишется в виде
                                           r                y a
                                       1        1                 v
                                         +        +  1 =             .
                                       p       p2            y0
Из последнего уравнения следует, что
                                       2  y  av  y − va
                                         =           −              ,
                                       p       y0         y0
или
                                          1  y  av  y − va 
                                    dx =               −               .
                                          2 y0              y0
Считая, что a < v, т.е. что преследователь может догнать цель, получаем решение в виде
                                    " y 1+ a            y 1− v
                                                                a        #
                                 y 0 y0      v
                                                −1       y         −   1
                             x=                     − 0                    + x0 ,
                                  2      1 + av             1 − av
  где x0 — абсцисса в начальный момент времени. При этом абсцисса точки встречи есть
                                                  av
                                   x1 = x0 + y0 2     ,
                                               v − a2
а продолжительность погони —
                                             y0 v
                                       T = 2       .
                                           v − a2

     3.5. Линейные уравнения первого порядка
     Определение 3. Дифференциальное уравнение вида
                          ak (x)y (k) + ak−1 (x)y (k−1) + · · · + a1 (x)y ′ + a0 (x)y = b(x)                (40)
называется линейным. В случае, если b(x) = 0, линейное уравнение называется однородным, в
противном случае — неоднородным. Аналогичным образом, система дифференциальных уравне-
ний         
                  1         (k)        n    (k)          1                   n
             a1k (x)y1 + · · · + a1k (x)yn + · · · + a10 (x)y1 + · · · + a10 (x)yn = b1 (x),
            
                ......................                                                           (41)
            
                           (k)              (k)
                  1                    n                 1                    n
                ank (x)y1 + · · · + ank (x)yn + · · · + an0 (x)y1 + · · · + an0 (x)yn = bn (x)
называется линейной, и эта система однородна, если все функции b1 , . . . , bn , стоящие в её правой
части, равны нулю.
  Множества решений линейных уравнений обладают следующими важными свойствами. Сфор-
мулируем их для скалярных уравнений.
     6Деля на p, мы потеряли решение y = const, но оно не представляет интереса, поскольку соответствует движению
преследователя по той же прямой, что и преследуемый.