Tải bản đầy đủ

Phương trình vi phân cấp 1 cách giải ví dụ cụ thể

PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CẤP I
2.1. Tổng quát về phương trình vi phân cấp I
2.1.1. Định nghĩa
Phương trình vi phân cấp 1 là phương trình có dạng F(x, y, y’) = 0 (1) trong đó: x là biến số độc
lập; y là hàm phải tìm; y’ là đạo hàm cấp một của y. Hay y’ = f(x;y) hay

= f(x;y) (2)

Ví dụ 1: Phương trình vi phân là 3yy’ + 3x2 = 0.
y2 dx + xdy = 0.
y’ = 2.1.2. Định lý về tồn tại và duy nhất nghiệm
Xét y’ = f(x;y)
Nếu hàm f(x;y) liên tục trong miền nào đó chứa (x 0, y0) thì phương trình vi phân cấp 1 đã cho sẽ
tồn tại một nghiệm y = y(x0); nghiệm này nhận giá trị y0 = y(x0).

Ngoài ra nếu
cũng liên tục trong miền nói trên thì y = y(x) là nghiệm duy nhất của phương
trình vi phân cấp một đã cho.
Điều kiện để hàm y = y(x) nhận giá trị y 0 tại x = x0 được gọi là sự kiện hay điều kiện đầu của
phương trình vi phân cấp một của một thường được ký hiệu:
học mà nói thì: nếu hàm f(x;y) và

một nghiệm:

. Như vậy về phương diện hình

liên tục ở trong miền nào đó có chứa (x 0, y0) sẽ tồn tại và duy nhất

y = y(x) mà đồ thị của nó luôn luôn đi qua một điểm (x 0, y0).
2.1.3. Nghiệm tổng quát và nghiệm riêng của phương trình vi phân cấp một
Ta gọi nghiệm tổng quát của một phương trình vi phân cấp một là mọi hằng số có dạng y = j(x, c)
trong đó c là hằng số tùy ý thỏa mãn phương trình ấy.
Ta gọi nghiệm riêng của một phương trình vi phân cấp một là mỗi một nghiệm y = j(x,c 0) có được
từ nghiệm tổng quát khi ta cho c = c0 một giá trị cụ thể.

Ví dụ 2: Phương trình vi phân y’ = -

y=

có y =

là nghiệm tổng quát;

là nghiệm riêng khi c = 6.

Nhiều khi giải một phương trình vi phân cấp một ta tìm được nghiệm tổng quát của phương trình
vi phân không phải dưới dạng tường mà dưới dạng ẩn:
f(x,y,c) = 0 trong đó c là hằng số tùy ý, hệ thức trên là liên hệ giữa biến độc lập x và nghiệm tổng quát
phương trình vi phân cấp một gọi là tích phân tổng quát của phương trình vi phân cấp một. Rồi từ tích


phân tổng quát nếu cho c = c 0 thì giá trị cụ thể thì f(x,y,c) = 0 gọi là một tích phân riêng của phương
trình vi phân cấp một.
Về phương diện hình học thì tích phân tổng quát của phương trình vi phân cấp một xác định cho
ta một họ các đường cong trong mặt phẳng, họ này phụ thuộc vào một hằng số tuỳ ý c và mỗi một
đường cong trong họ được gọi là một đường cong tích phân riêng.
2.2. Phương trình vi phân có biến phân ly
2.2.1. Định nghĩa
Phương trình vi phân có biến phân ly là phương trình có dạng:
M(x)dx + N(y)dy = 0 (1)

Trong đó:


là những hàm phụ thuộc x, y (x là biến độc lập; y là hàm cần tìm)

Ví dụ 3:

; (ex + x + 1)dx + (siny + 2cosy)dy = 0

2.2.2. Cách giải
Từ (1) ta có: M(x)dx = -N(y)dy. Lấy tích phân hai vế:
Û

và do đó tích phân tổng quát của (1)

· Chú ý: Xét phương trình vi phân cấp một M1(x) N1(y)dx + M2(x) N2(y)dy = 0
Nếu M2(x), N1(y) ¹ 0 thì chia hai vế cho M2(x), N1(y)

(2) Û

và do đó tích phân tổng quát của (2)

Nếu

thì bằng cách thử trực tiếp:

·

x = a (khi y ¹ b)

·

y = b (khi x ¹ a) thì chúng là nghiệm.

Ví dụ 4: Giải phương trình x2(y + 1)dx + (x3 – 1)(y – 1)dy = 0

* Nếu

thì

(1)

(2)


Þ Tích phân tổng quát của phương trình

Û

* Nếu

Û

Þ

Thử: Khi

thì (1) Û x2(y + 1)dx = 0

Hàm f(x;y) được gọi là hàm đẳng cấp k đối với x, y nếu f(lx, ly)= l k.f(x;y); l ¹ 0. Khi đó, nếu k =
0: f(lx,ly) = f(x;y). Ta nói rằng f(x;y) là hàm đẳng cấp cấp 0 hay là đẳng cấp đối với x, y. Nếu f(x;y) là
hàm đẳng cấp k đối với x, y thì nó luôn luôn được biểu diễn với dạng: f(x;y) = x k j( ).

Chứng minh: l ¹ 0 nên ta có thể chọn l =

Vì f(lx, ly) = lk.f(x;y) Û f(1;

)=(

)k f(x;y) Þ f(x;y) = xk .f(1;

) = xk j(

).

Þ Nếu f(x;y) là một hàm đẳng cấp đối với x, y thì nó luôn luôn được biểu diễn f(x;y) = j(

Ví dụ 5: f(x;y) =

=

f(x;y) =

=j(

=

).

).

= j(

).

2.3. Phương trình vi phân đẳng cấp
Định nghĩa: Phương trình vi phân đẳng cấp cấp một là phương trình y’ = f(x;y) trong đó f(x;y)
là một hàm đẳng cấp đối với x, y nghĩa là f(x;y) = j( ) và do đó y’ = j( ) (1)

Ví dụ 6: y’ =

là phương trình vi phân đẳng cấp cấp một hay y’ =


Cách giải: y’ = j(

Đặt

(1)

= u với u là một hàm số nào đó của x Þ y = u.x

Þ

·

)

=u+x

Þu+x

= j(x) Þ x

= j(u) – u

Nếu j(u) – u ¹ 0 (luôn luôn khác 0) thì từ (2) ta có

vế

+

Þ

= f(u) Û

=

Nếu j(u) – u = 0 Þ

Þx=C.

do đó lấy tích phân hai

=C.

.

.

=

Þ
·

=

= f(u) +

Tích phân tổng quát của (1) là x = C.

·

(2)

hay

+

Þ

=

Þ

=

=

Nếu j(u) – u = 0 tại một số hữu hạn giá trị u = u0, u = u1=,..., u = un; y = u0x,
y = u1x, …, y = unx

Ví dụ 7:

Đặt u =

y’ =

=

= j(

).

Þ y = u . x Þ y’ = u + x

Þu+x

Ûx

=

=

Ûx

Þ

=

=

-u=

=


Þ

=

+

Û

-

Ûx=

Û

Û

=

Đặt u =

Þ

=

x2(x2 + y2).

Þu+x

-u=

=

+

Ûx.C

Û

= arctgu Û x . C

=

=

=

+
+

=

Ûx

Û

Û
Û

=

).

Þ y = u . x Þ y’ = u + x

Ûx

Û

Þy=

= j(

=

=

Ûx=

* Giải: y’ =

-

Þ

arctgu
=

=

Sang hệ tọa độ cực:

, (*)Þ r =

.

là họ những đường xoắn ốc logarit.

(*)


2.4. Phương trình vi phân tuyến tính cấp I
2.4.1. Định nghĩa
Phương trình vi phân tuyến tính cấp một là phương trình có dạng:
y’ + p(x)y = q(x) (1). Trong đó: p(x), q(x) là những hàm số liên tục của biến x.
·

Nếu q(x) = 0 thì (1): y’ + p(x)y = 0 (2) gọi là phương trình thuần nhất.

·

Nếu q(x) ¹ 0 thì (1) gọi là phương trình không thuần nhất.

Ví dụ 8: y’ + 3x2 y = 0 là phương trình thuần nhất.

là phương trình không thuần nhất.
2.4.2. Cách giải
Để tìm nghiệm tổng quát của phương trình (1) thì trước hết ta tìm nghiệm tổng quát của phương
trình thuần nhất tương ứng: y’ + p(x)y = C (2).

Từ (2),

.

· Nếu y ¹ 0 Þ

Þ

Þ

(3) là nghiệm tổng quát của (1)

· Nếu y = 0 thì nó cũng là nghiệm và là nghiệm riêng của phương trình (1) ứng với C = 0.
· Ta sẽ tìm nghiệm tổng quát của (1) dưới dạng (3) ta sẽ coi C là hằng số của biến x:
C = C(x) để (3) là nghiệm của (1).

Từ (3) có:

=

+ C[-p(x)]

- Cp(x)

thay vào (1):

+ p(x).C.

= q(x).


dC = q(x).

.dx Þ C =

(4)

thì (3) là nghiệm của (1)
Vậy nghiệm tổng quát của (1) sẽ là:

y=[

]

hay y = x

+

.

(5)

Vậy nghiệm tổng quát của phương trình không thuần nhất (1) luôn luôn bằng nghiệm cộng với một
nghiệm riêng nào đó của phương trình không thuần nhất (1).

Ví dụ 9: Tìm nghiệm tổng quát của phương trình:
điều kiện y(1) = 1.

(1) và tìm một nghiệm riêng thỏa mãn

Ta thấy (1) là phương trình tuyến tính không thuần nhất cấp một. Trước hết ta giải :

Þ

=

Þ

=

Þ

y=

; C là hằng số tùy ý là nghiệm tổng quát của phương trình

Ta sẽ coi C = C(x)

y=

Thay vào (1),

Þ y’ =

+

-

= 3x

= 3x

C’ = 3x2+ Þ C = x3 + x

Vậy: nghiệm tổng quát của phương trình đã cho:

y = (x3 + x).

hay y = x2 +

vì y’x = 1 = 1 nên 1 = 1 + x Þ x = 0.

Þ y = x2 là một nghiệm riêng của phương trình (1) thỏa mãn y’x = 1 = 1
2.5. Phương trình BECNOULLI
2.5.1. Định nghĩa
Phương trình Becnoulli là phương trình có dạng:

.


y’ + p(x).y = q(x).
thực bất kỳ, a ¹ {0, 1}

, trong đó p(x), q(x) là những hàm số liên tục của x còn a là một số

2.5.2. Cách giải
Với giả thiết y ¹ 0 chia cả hai vế (1) cho
Đặt Z = Z(x) =

, y’.

+ p(x).

= q(x)

(2)

(*)

Z’ = (1 - a) .

.y’ Þ

thay vào (2), ta có:

.y’ =

.Z’

+ p(x). Z = q(x)

Þ Z’ + (1 - a).p(x) Z = (1 - a) q(x)

(3)

Phương trình (3) là phương trình tuyến tính cấp một không thuần nhất đối với Z = Z(x) là hàm số phải
tìm.
Giải phương trình (3) ta sẽ nhận được nghiệm Z = Z(x) và sau đó thay Z vào Z =
được nghiệm tổng quát của phương trình Becnoulli.
Ví dụ 10: phương trình y’ – 2x.y = x3.y2 (1); (a = 2).

·

Nếu y ¹ 0:

-

= x3 Û y’.y2 – 2x.y-1 = x3 Þ Z’ = - y-2y’

Þ w: - Z’ + 2x.Z = x3

Û Z’ + 2xZ = - x3

Giải phương trình: Z’ + 2xZ = 0 (*) Û

Û

=-2

+

Ta coi C = C(x): Z = C.
Þ Z’ =
Þ C’ = - x3

Û
Þ Z’ =

.(C’– 2Cx) Þ

(2)

= - 2xZ Û

= - 2x.dx

= - x2 Û Z = C.

là nghiệm tổng quát.

.C’ + C (- 2x)
(C’– 2Cx) + 2xC.

= - x3 Û C’.

= - x3

thì ta


ÞC=-

=-

=-

do đó nghiệm tổng quát của (2) là: Z = [

[x2

-

(1 – x2) + x]

(1 – x2) + x

]=

=

(1 – x2) + x

Thay Z vào (2) Þ nghiệm tổng quát của (1) là: Z = y- 1

Þ y = Z-1 =
2.6. Phương trinh vi phân toàn phần
2.6.1. Định nghĩa
Phương trình P(x;y)dx + Q(x;y)dy = 0 (1) được gọi là phương trình vi phân toàn phần nếu vế trái

(1) là vi phân toàn phần của một hàm u(x;y) nào đó trong D nghĩa là ở trong D:

;
2.6.2. Cách giải
Để nhận biết phương trình (1) có phải là phương trình vi phân toàn phần hay không và tìm cách
giải nó ta xét định lý sau:

Giả sử các hàm P(x;y); Q(x;y) là những hàm số liên tục cùng với các đạo hàm riêng cấp một của
chúng ở trong miền D thì điều kiện cần và đủ cho P(x;y)dx + Q(x;y)dy là vi phân toàn phần của hàm

(x;y) nào đó trong D là tại mọi điểm (x;y)ÎD;

=

Chứng minh:

* Điều kiện cần "(x;y)ÎD:

Þ du =

dx +

=

dy = Pdx + Qdy

Þ vì

;


=



;

;

=

liên tục "(x;y)ÎD Þ

Theo định lý Sơvacxơ:

=

;

Þ

cùng liên tục trong D.

=

Vậy: "(x;y)ÎD rõ ràng nếu P(x;y)dx + Q(x;y)dy là vi phân từng phần của hàm u(x;y) trong miền
D.

Pdx + Qdy = du =

Û

·

=

dx +

;

Điều kiện đủ "(x;y)ÎD:

dy Þ P =

=

Þ

;Q=

=

=

Û

=

chứng minh Pdx + Qdy = du

Với u(x;y) trong miền D Þ u(M) = u(x;y) =
với A(x0, y0) là điểm cố định tùy ý
trong miền D. M(x;y) là điểm chạy tùy ý nằm trong miền D, C là hằng số tùy ý.

Thật vậy: Trước hết do điều kiện "(x;y)ÎD:
=
là điều kiện cần và đủ để
không phụ thuộc vào đường lấy tích phân nên ta có thể chọn đường lấy tích phân là đường gấp khúc
ALM hay ANM có các cạnh song song với các trục tọa độ. Chẳng hạn ta chọn đường lấy tích phân là
đường gấp khúc ALM:

Þ u(x;y) =

+

+C

+

+C

Trên AL; y = y0 Þ dy = 0;
Trên LM; x = x0 Þ dx = 0

Þ u(x;y) =


Þ u(x;y) =

+

+C

Þ u(x;y) =

+

+C

(2)

Tương tự như vậy nếu ta chọn đường lấy tích phân là ANM thì:

u(x;y) =

+

Þ u(x;y) =

Từ (2):

Từ (3):

Þ du =

+C=

+

+

+C

+ C (3)

= Q(x;y)

= P(x;y)

dx +

dy = P(x;y)dx + Q(x;y)dy (4)

Þ P(x;y)dx + Q(x;y)dy là vi phân từng phần của một hàm u(x;y) mà u(x;y) được xác định bởi (2) hoặc
(3).
Phương trình P(x;y)dx + Q(x;y)dy = 0
Þ nghiệm tổng quát của (1) là u(x;y) = x được xác định bởi (2) hoặc (3)
Thật vậy: (1) Û du = 0 Þ u = u(x;y) = x
Ví dụ 11: 1). Giải phương trình 2x.y dx + x2dy = 0 (1)
Ta có: P = 2x.y, Q = x2 liên tục cùng với các đạo hàm riển của trong R2

Þ

= 2x;

= 2x

Þ

=

= 2x Þ (1) là PTVP toàn phần.

Þ nghiệm tổng quát của (1) là: u(x;y) = C trong đó u xác định bởi (2) hoặc (3)

u(x;y) =

+

+x


cho x0 = 0; y0 = 0

Þ u(x;y) =

+

(2 + 2x – y2)dx – 2y

2). Giải phương trình:
P=

Þ

+ x = x2y + x2y + x = x2y + x Þ x2y = x
dy = 0 (2)

(2 + 2x – y2) , Q = - 2y

= - 2y

;

= -2y

Þ

=

= -2y

"(x;y)

Þ (2) là phương trình vi phân toàn phần.
Þ nghiệm tổng quát của (1) là: u = (x;y) = C trong đó (x;y) được xác định bởi:

u(x;y) =

Gọi x0 = 0; y0 = 0 Þ u(x;y) =

Þ u(x;y) = 2
Þ 2x

-

+

-2
y2 = x

Þ u(x;y) = 2x

-

y2 + x



x

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×