Bài giảng Giải tích 2: Chương 7 - TS. Nguyễn Văn Quang

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:100

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Giải tích 2: Chương 7 cung cấp cho người học những kiến thức như: Phương trình vi phân; Phương trình vi phân cấp 1; Phương trình vi phân cấp 2. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung của bài giảng!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Giải tích 2: Chương 7 - TS. Nguyễn Văn Quang

1. Phương trình vi phân 2. Phương trình vi phân cấp 1 3. Phương trình vi phân cấp 2 TailieuVNU.com Tổng hợp & Sưu tầm
Một số bài toán dẫn tới phương trình vi phân Cho một vật khối lượng 𝑚 rơi tự do trong không khí. Giả sử sức cản của không khí tỷ lệ với vận tốc rơi là 𝑣(𝑡) vào thời điểm 𝑡 với hệ số tỷ lệ là 𝑘 > 0. Tìm 𝑣(𝑡). Khi vật rơi thì lực tác dụng lên vật gồm: lực hút trái đất 𝑚𝑔, lực cản của không khí 𝑘𝑣(𝑡). Theo định luật Newton: 𝑚𝑎 = 𝐹, với 𝑎 là gia tốc của vật rơi. Do đó: 𝑑𝑣 𝑚 = 𝑚𝑔 − 𝑘𝑣. 𝑑𝑡 Hay: 𝑚𝑣 ′ = 𝑚𝑔 − 𝑘𝑣. Đây là phương trình vi phân để tìm hàm 𝑣(𝑡). 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 2 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Một số bài toán dẫn tới phương trình vi phân Cho đường cong 𝑦 = 𝑓(𝑥). Tìm phương trình tiếp tuyến với đường cong đó, biết rằng tiếp tuyến tại 1 điểm trên đường cong sẽ cắt trục Oy tại điểm có tung độ bằng 2 lần tung độ của tiếp điểm. Pt tiếp tuyến với 𝑦 = 𝑓(𝑥) tại điểm 𝑀(𝑥0 , 𝑦0 ): 𝑦 = 𝑦0 + 𝑓 ′ 𝑥0 . (𝑥 − 𝑥0 ) Giao điểm của tiếp tuyến này với trục Oy (𝑥 = 0): 𝑦1 = 𝑦0 − 𝑓 ′ 𝑥0 . 𝑥0 Vì: 𝑦1 = 2𝑦0 → 𝑦0 = −𝑓 ′ 𝑥0 . 𝑥0 . Do 𝑀(𝑥0 , 𝑦0 ) là điểm bất kỳ, nên ta ′ 𝑦(𝑥) có phương trình vi phân: 𝑦 𝑥 = . 𝑥 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 3 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Định nghĩa Phương trình vi phân là phương trình mà đối tượng phải tìm là hàm số và hàm số phải tìm có mặt trong phương trình đó dưới dạng đạo hàm hoặc vi phân các cấp. Phương trình vi phân thường (gọi tắt là phương trình vi phân) là phương trình vi phân với hàm số phải tìm là hàm số 1 biến số. PTVP thường: ′ 2 2 2 𝑑2 𝑦 𝑦 =𝑥 +𝑦 𝑥𝑑𝑦 − 𝑦 𝑑𝑥 = 0 = −𝑎2 𝑦 𝑑𝑥 2 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 4 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Định nghĩa Phương trình vi phân đạo hàm riêng là phương trình vi phân với hàm số phải tìm là hàm số nhiều biến số. PTVP đạo hàm riêng: 𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕2 𝑢 𝜕2 𝑢 𝑥 +𝑦 =𝑢 + =0 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 2 𝜕𝑦 2 Trong khuôn khổ chương trình này, chúng ta chỉ xét PTVP thường, và ta gọi tắt là PTVP. 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 5 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Định nghĩa Cấp cao nhất của đạo hàm (hoặc vi phân) trong phương trình vi phân gọi là cấp của phương trình vi phân. y( x) y( x)  3  x sin x phương trình vi phân cấp 2. x 3 2 d y d y 3 3 e 2x phương trình vi phân cấp 3. dx dx  2u  2u  1 phương trình đạo hàm riêng cấp 2. x xy 2 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 6 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Định nghĩa Dạng tổng quát của phương trình vi phân cấp n:   F x, y, y ,..., y (n) 0  (1) Ví dụ:    3 y 2 x  e y y  y 3  2 x  0  Nếu giải ra được y (n) : y (n)    x, y, y,..., y ( n 1)  Ví dụ:    x 2  xy dy  2 x 2  y 2 dx  dy 2 x  y 2 2 Giải ra được: y   2 dx x  xy 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 7 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Nghiệm - Nghiệm tổng quát - Nghiệm riêng của PTVP Nghiệm của phương trình (1) trên tập X là một hàm y   ( x) xác định trên X sao cho khi thay vào (1) ta được đồng nhất thức. Đồ thị của nghiệm y   ( x) gọi là đường cong tích phân. 1 Ví dụ: phương trình vi phân y  y  0 có nghiệm là: x y  Cx, C  R vì thỏa mãn phương trình vi phân đã cho. 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 8 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Nghiệm - Nghiệm tổng quát - Nghiệm riêng của PTVP Dạng tổng quát của phương trình vi phân cấp 1: F  x, y , y    0 (2) Nếu giải ra được y : y    x, y  (3) Ví dụ: các phương trình vi phân cấp 1  y  y  xe x dạng (3) x 2    y dy  xy  y dx  0 2 2  dạng (3) y  xy  1   y  2 dạng (2) 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 9 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Định nghĩa Bài toán Cauchy Bài toán Cauchy là bài toán tìm nghiệm của phương trình (2) hoặc (3) thỏa điều kiện ban đầu (điều kiện biên) y  x0   y0 (4) Nghiệm của phương trình (2) hoặc (3) là họ đường cong tích phân phụ thuộc hằng số C. Nghiệm của bài toán Cauchy là đường cong tích phân đi qua điểm cho trước  x0 , y0  . 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 10 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Ví dụ 3 Phương trình vi phân: y  y  0 x nghiệm của phương trình là họ đương cong tích phân: y  Cx , C  R 3 3 Xét bài toán Cauchy: y  y  0, y (1)  3 x Ta có: 3  C 13  C  3 Nghiệm của bài toán Cauchy: y  3x 3 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 11 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
y  x 3 y  2 x3 Đường cong tích phân trong một số trường hợp cụ thể. y  3x 3 Nghiệm của bài toán Cauchy là đường cong màu đỏ. Đường cong đi qua điểm (1,3). yx 3 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 12 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Nghiệm - Nghiệm tổng quát - Nghiệm riêng của PTVP Nghiệm của ptvp cấp 1 phụ thuộc vào một hằng số C tùy ý. Nghiệm tổng quát của phương trình cấp 1: y   ( x, C ) Nghiệm riêng là nghiệm thu được từ nghiệm tổng quát bằng cách cho hằng số C một giá trị cụ thể (ví dụ nghiệm của bài toán Cauchy). Nghiệm kỳ dị là nghiệm không thể thu được từ nghiệm tổng quát cho dù C lấy bất kỳ giá trị nào. Giải phương trình vi phân là tìm ra tất cả các nghiệm của ptvp. 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 13 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Nghiệm - Nghiệm tổng quát - Nghiệm riêng của PTVP Chú ý Khi giải PTVP không phải bao giờ cũng nhận được nghiệm tổng quát dưới dạng 𝑦 = 𝜑(𝑥, 𝐶), mà nói chung chỉ nhận được hệ thức Φ 𝑥, 𝑦, 𝐶 = 0 (nghiệm tổng quát viết dưới dạng hàm ẩn). Khi đó Φ 𝑥, 𝑦, 𝐶 = 0 gọi là tích phân tổng quát; 𝐶 = 𝐶0 ta có tích phân riêng Φ 𝑥, 𝑦, 𝐶0 = 0. 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 14 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Định lý (tồn tại và duy nhất nghiệm của bài toán Cauchy) Nếu hàm y  f ( x ) liên tục trong miền mở D  R 2 , thì với mọi điểm  x0 , y0   D , bài toán Cauchy (3) với điều kiện (4) có nghiệm xác định trong lân cận của x0 . f Ngoài ra nếu đạo hàm riêng cũng liên tục trong D, thì nghiệm này y là duy nhất. 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 15 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Phương trình tách biến (phân ly biến số) Dạng tổng quát của phương trình: 𝑓 𝑥 𝑑𝑥 + 𝑔 𝑦 𝑑𝑦 = 0 Tích phân tổng quát của phương trình: 𝑓 𝑥 𝑑𝑥 + 𝑔 𝑦 𝑑𝑦 = 𝐶 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 16 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Ví dụ Giải phương trình: 𝑦 2 𝑦 ′ = 𝑥(1 + 𝑥 2 ). Phương trình có dạng tách biến: 𝑦 2 𝑑𝑦 − 𝑥 1 + 𝑥 2 𝑑𝑥 = 0 Tích phân tổng quát của ptvp: 𝑦 2 𝑑𝑦 − 𝑥 1 + 𝑥 2 𝑑𝑥 = 𝐶 Suy ra: 𝑦3 𝑥2 𝑥4 − − =𝐶 3 2 4 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 17 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Đường cong tích phân trong một số trường hợp cụ thể: 1 Đường màu xanh: C  2 Đường màu đỏ: C 1 Đường màu đen: C  2 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 18 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Phương trình tách biến (phân ly biến số) Chú ý Phương trình có dạng: 𝑋1 𝑥 𝑌1 𝑦 𝑑𝑥 + 𝑋2 (𝑥)𝑌2 (𝑦)𝑑𝑦 = 0 𝑋1 𝑥 𝑌2 𝑦 Nếu 𝑌1 𝑦 𝑋2 𝑥 ≠ 0 → 𝑑𝑥 + 𝑑𝑦 = 0: đây là pt tách biến. 𝑋2 𝑥 𝑌1 𝑦 Nếu 𝑋2 𝑥 = 0 tại 𝑥 = 𝑎, thì 𝑥 = 𝑎 là 1 nghiệm của PTVP. Nếu 𝑌1 𝑦 = 0 tại 𝑦 = 𝑏, thì 𝑦 = 𝑏 là 1 nghiệm của PTVP. Các nghiệm đặc biệt này không chứa trong nghiệm tổng quát của PTVP trên. 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 19 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN
Ví dụ Giải phương trình: 𝑥 1 + 𝑦 2 𝑑𝑥 + 𝑦 1 + 𝑥 2 𝑑𝑦 = 0. Chia 2 vế cho (1 + 𝑥 2 )(1 + 𝑦 2 ) ta được: 𝑥𝑑𝑥 𝑦𝑑𝑦 2 + 2 = 0. 1+𝑥 1+𝑦 Tích phân tổng quát của ptvp: 𝑥𝑑𝑥 𝑦𝑑𝑦 2 + 2 = 𝐶. 1+𝑥 1+𝑦 1 2 1 Suy ra: ln 1+𝑥 + ln1 + 𝑦2 = 𝐶 2 2 Vậy tích phân tổng quát của ptvp là: 1 + 𝑥 2 1 + 𝑦 2 = 𝐶1 , 𝐶1 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, 𝐶1 > 0. 25-Mar-21 TS. Nguyễn Văn Quang 20 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN