Bài giảng Giải tích 1: Phương trình vi phân cấp 2

Chia sẻ: Sơn Tùng | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:39

Thêm vào BST

Báo xấu

402
lượt xem 47
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Giải tích 1: Phương trình vi phân cấp 2" cung cấp cho người học các kiến thức: Bài toán Cauchy, PTVP tuyến tính cấp 2, nguyên lý chồng chất nghiệm, giải phương trình thuần nhất, PP hệ số bất định tìm yr,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Giải tích 1: Phương trình vi phân cấp 2

PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CẤP 2
BÀI TOÁN CAUCHY Tìm nghiệm của phương trình F(x, y, y’, y”) = 0 (1) hoặc: y” = f(x, y, y’) (2) thỏa điều kiện ban đầu : y(x0) = y0 y’(x0) = y1 Lưu ý: nghiệm tổng quát của ptvp cấp 2 có 2 hằng số tự do, cần 2 điều kiện để tìm 2 hằng số này.
Ví dụ Tìm nghiệm bài toán: y” = x2 (1) y(0) = 1, y’(0) = -2 (2) 3 x (1) � y ' = + C1 (3) 3 4 x �y= + C1x + C2 (4) 12 (2), (3) C1 = -2 (2), (4) C2 = 1 4 x Vậy nghiệm bài toán là: y= − 2x + 1 12
MỘT SỐ PTVP CẤP 2 GIẢM CẤP ĐƯỢC LOẠI 1: pt không chứa y : F(x, y’, y”) = 0 Cách làm: đặt p = y’ đưa về ptvp cấp 1 theo p, x LOẠI 2: pt không chứa x: F(y,y’,y”) = 0 Cách làm: đặt p = y’ đưa về pt cấp 1 theo hàm p và biến y LOẠI 3: F thỏa F(x,ty,ty’,ty”) = tnF(x,y,y’,y”) Cách làm: đặt y’ = yz đưa về pt theo x, z
Ví dụ 1/ y" = 2 y ' Pt không chứa y, đặt y ' = p Pt trở thành: p ' = 2 p ( p ' = p '( x )) dp Với p 0 = dx � p = x + C1 2 p 2 � y ' = ( x + C1 ) 1 3 � y = ( x + C1 ) + C2 3 p=0 y’ = 0 y=C
2 2 2 2 / (1 + y ) yy " = ( y − 1)( y ') Pt không chứa x Đặt y’ = p (xem y là biến) dy ' dy ' dy dp y" = = = p = p ' p, ( p'=p'(y)) dx dy dx dy 2 2 2 Pt trở thành: (1 + y ) yp ' p = ( y − 1) p 2 dp y −1 � 2y 1� � = 2 dy = � 2 − � dy p y (1 + y ) 1+ y � y� 2 � py = C1 (1 + y )
2 � py = C1 (1 + y ) 2 � y ' y = C1 (1 + y ) ydy � 2 = C1dx 1+ y 1 2 � ln(1 + y ) = C1x + C2 2
x2yy” – (y – xy’)2 = 0 x2 ty ty” – (ty – x ty’)2 = t2[x2yy” – (y – xy’)2 Đặt y’ = yz y” = y’z + yz’ = yz2 + yz’ Pt trở thành: 2 2 2 x y ( yz + yz ') = ( y − xyz) 2 2 2 � x ( z + z ') = (1 − xz) 2 � x z '+ 2 xz = 1 (Tuyến tính )
2 x z '+ 2 xz = 1 1 C1 �z= + 2 x x y ' 1 C1 � = + 2 y x x C1 − � y = C2 xe x
PTVP TUYẾN TÍNH CẤP 2 y” + p(x)y’ + q(x)y = f(x) (1) p(x), q(x), f(x) liên tục y” + p(x)y’ + q(x)y = 0 Phương trình thuần nhất Cấu trúc nghiệm pt không thuần nhất: y = y0 + y r • y0 là nghiệm tổng quát của pt thuần nhất, • yr là 1 nghiệm riêng của pt không thuần nhất
Nguyên lý chồng chất nghiệm Nếu y1 và y2 lần lượt là các nghiệm của pt y” + p(x)y’ + q(x)y = f1(x) y” + p(x)y’ + q(x)y = f2(x) thì y1 + y2 là nghiệm của pt y” + p(x)y’ + q(x)y = f1(x) + f2(x)
Giải phương trình thuần nhất Nếu y1 và y2 là 2 nghiệm độc lập tuyến tính của pt thuần nhất y” + p(x)y’ + q(x)y = 0 nghiệm tổng quát của pt này là y0 = C1y1 + C2y2 Nếu biết trước 1 nghiệm y1 0, y2 được tìm như sau − p ( x ) dx e y2 = y1 2 dx y1
Ví dụ Giải pt: x2y” – xy’ + y = 0, biết pt có 1 nghiệm y1 = x p(x) = – 1/x − p ( x )dx e y 2 = y1 2 dx y1 − dx − e x x y2 = x� 2 dx = x �2 dx = x ln | x | x x y0 = C1x + C2xln|x|
Giải pt: (1+x2)y” + 2xy’ – 2y = 4x2 + 2 (1) biết phương trình có 2 nghiệm y = x2 và y = x + x2 Lưu ý: pt đã cho là pt không thuần nhất y = x2 và y = x + x2 là 2 nghiệm của (1) y1 = (x + x2) – x2 là nghiệm của pt thuần nhất 2x − 2 dx e 1+ x dx y1 = x � y2 = x� 2 dx = x �2 2 x x (1 + x )
2x − 2 dx e 1+ x dx � y2 = x� 2 dx = x �2 2 x x (1 + x ) � 1� = x�− arctan x − �= − x arctan x − 1 � x� y0 = C1x + C2(xarctanx + 1) (NTQ của pt thuần nhất) Nghiệm TQ của (1) y = C1x + C2(xarctanx + 1) + x2
PTVP TUYẾN TÍNH CẤP 2 HỆ SỐ HẰNG y” + ay’ + by = f(x) (a, b là hằng số ) Bước 1: Giải pt thuần nhất : y” + ay’ + by = 0 Bước 2: tìm 1 nghiệm riêng của pt không thuần nhất y” + ay’ + by = f(x)
Cách xác định nghiệm tổng quát của pt thuần nhất Giải phương trình đặc trưng: k2 + ak + b = 0  k1, k2 là nghiệm thực phân biệt: k1x k2 x y1 = e , y 2 = e kx kx  k là nghiệm kép: y1 = e , y 2 = xe αx αx k= i y1 = e cos β x , y 2 = e sin β x (phức): y0 = C1y1 + C2y2
Ví dụ 1. y” – 3y’ – 4y = 0, Ptđt: k2 – 3k – 4 = 0 k = 1, k = 4 −x 4x −x 4x y1 = e , y 2 = e � y 0 = C1e + C2e 2. y” – 2y’ + y = 0, Ptđt: k2 – 2k + 1 = 0 k = 1 (kép) x x x x y1 = e , y 2 = xe � y 0 = C1e + C2 xe
3. y” – 2y’ + 5y = 0, Ptđt: k2 – 2k + 5 = 0 k=1 2i 1x 1x y1 = e cos 2 x , y 2 = e sin 2 x x x � y 0 = C1e cos 2 x + C2e sin 2 x
Tìm nghiệm riêng yr của pt y” + ay’ + by = f(x) Biến thiên bằng số Trong y0, xem C1 =C1(x), C2 = C2(x), giải hệ C1 ( x ) y1 + C2 ( x ) y 2 = 0 C1 ( x ) y1 + C2 ( x ) y 2 = f ( x ) yr = C1(x)y1 + C2(x)y2