Курсовая работа: Интегрирующий множитель
Обыкновенные дифференциальные уравнения имеют большой теоретический и практический интерес, являются фундаментом для многих других разделов высшей математики, например, для уравнений с частными производными, уравнений математической физики, вариационного исчисления, а также - базой для глубокого изучения механики, физики и других естественных наук.
Дата добавления на сайт: 27 февраля 2025
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования «Мозырский государственный педагогический университет имени И.П. Шамякина»
Кафедра теоретической физики и прикладной математики
Курсовая работа
Интегрирующий множитель
Выполнила:
студентка 4 курса 2 группы
физико-математического факультета
дневной формы обучения
Астрейко Натальи Сергеевны
Научный руководитель:
ст. преподаватель, Игнатович С.В.
Мозырь 2014
Содержание:
Введение
Основная часть
Глава 1. Основные дифференциальные уравнения. Уравнения
в полных дифференциалах
1.1 Основные понятия теории обыкновенных дифференциальных уравнений
1.2 Понятие об уравнении в полных дифференциалах
.3 Признак уравнения в полных дифференциалах. Построение
общего интеграла
Глава 2. Интегрирующий множитель. Простейшие случаи нахождения интегрирующего множителя
.1 Общая теория
.2 Один общий способ нахождения интегрирующего множителя
2.3 Случай интегрирующего множителя, зависящего только от




.4 Случай интегрирующего множителя вида


.5 Интегрирующий множитель и особые решения
.6 Интегрирующий множитель уравнения с разделяющимися переменными
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Обыкновенные дифференциальные уравнения имеют большой теоретический и практический интерес, являются фундаментом для многих других разделов высшей математики, например, для уравнений с частными производными, уравнений математической физики, вариационного исчисления, а также - базой для глубокого изучения механики, физики и других естественных наук.
Перечислим основные типы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка: уравнения с разделяющимися переменными; однородные уравнения; обобщенные однородные уравнения; линейные дифференциальные уравнения; уравнения Бернулли; уравнения Риккати; уравнения Якоби; уравнения в полных дифференциалах.
Если дифференциальное уравнение первого порядка не приводится ни к одному из перечисленных типов, то следует попытаться найти интегрирующий множитель, чтобы свести его к уравнению в полных дифференциалах.
Интегрирующий множитель







становится уравнением в полных дифференциалах:


Цель данной курсовой работы заключается в исследовании интегрирующего множителя и его свойств.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1.изучить основные понятия теории обыкновенные дифференциальные уравнения;
.рассмотреть уравнения в полных дифференциалах;
.изучить понятие интегрирующего множителя и исследовать общие сведения о нем;
.рассмотреть простейшие случаи нахождения интегрирующего множителя.
Объектом курсовой работы являются дифференциальные уравнения первого порядка в полных дифференциалах.
Предметом исследования является понятие интегрирующего множителя и простейшие случаи его нахождения.
Данная курсовая работа состоит из введения, двух глав и заключения.
Первая глава содержит сведения о теории обыкновенных дифференциальных уравнений (рассмотрено ОДУ, даны определения порядку и решению ОДУ), а так же изучены теоретические сведения об уравнениях в полных дифференциалах (вид уравнения в полных дифференциалах, его признак и построение общего интеграла).
Роль инетегрирующего множителя для нахождения общего интеграла и его общие свойства исселедуются во второй главе (теоремы о существовании, о неединственности и об общем виде интегрирующего множителя). Данная глава так же содержит один общий способ нахождения интегрирующего множителя, основанный на использовании его свойств изложенных выше, и простейшие случаи нахождения интегрирующего множителя (интегрирующий множитель зависящий только от






Глава 1. Основные дифференциальные уравнения. Уравнения в полных дифференциалах
.1 Основные понятия теории обыкновенных дифференциальных уравнений
Дифференциальным уравнением называется уравнение, содержащее производные неизвестной функции.
Если в дифференциальном уравнении неизвестная функция является функцией одной независимой переменной, то оно называется обыкновенным дифференциальным уравнением. Дифференциальное уравнение вида (1.1) представляет пример выше описанного уравнения:


Если же входящая в дифференциальное уравнение неизвестная функция зависит от нескольких независимых аргументов, то оно называется уравнением в частных производных. Примером служит уравнение


которое содержит неизвестную функцию


Порядком дифференциального уравнения называется наибольший порядок входящей в уравнение производной. Так дифференциальные уравнения (1.1) и (1.2) - это уравнения второго порядка.
Решением дифференциального уравнения называется функция, которая при подстановке в дифференциальное уравнение обращает его в тождество.
Например, легко проверить, что функция






Содержит неизвестную переменную










График решения дифференциального уравнения называется интегральной кривой.
Уравнение считается проинтегрированным, если его решение найдено в явном виде








.2 Понятие об уравнении в полных дифференциалах
Рассмотрим такой тип уравнений, которые не всегда допускают интегрирование в квадратурах. Этот тип, вследствие того, что к нему сводятся многие другие уравнения, имеет важное значение в теории дифференциальных уравнений. Речь идет об уравнении в полных дифференциалах. Так называется уравнение


левая часть которого представляет собой полный дифференциал некоторой функции








Относительно функций




Уравнение в полных дифференциалах можно записать так:


Поэтому общий интеграл его имеет вид


При этом функция


Особых решений уравнение в полных дифференциалах, очевидно, не имеет. Пример 1. Рассмотрим уравнение


Левая часть этого уравнения представляет собой полный дифференциал функции


Поэтому общий интеграл рассматриваемого уравнения имеет вид




Пример 2. Возьмем уравнение


Раскроем скобки и сгруппируем член так, чтобы каждая группа представляла собой полный дифференциал:




Заменяя сумму дифференциалов на дифференциал суммы, получаем:




Следовательно, уравнение (1.11) является уравнением в полных дифференциалах, а равенство


есть его общий интеграл.
Ясно, что построение функции


Поэтому возникают два вопроса:
) Как узнать по виду уравнения (1.4), является ли оно уравнение в полных дифференциалах?
) В случае положительного ответа на первый вопрос, как построить функцию


.3 Признак уравнения в полных дифференциалах. Построение общего интеграла
Предположим, что функции










Это равносильно тому, что имеют место тождества


Дифференцируя первое из этих тождеств по






левые части полученных тождеств равны между собой, а тогда равны и правые, т.е.


Условие (1.18) является необходимым для того, чтобы левая часть уравнения (1.4) была полным дифференциалом. Покажем, что это условие является и достаточным.
Действительно, пусть условие (1.18) выполнено. Покажем, что тогда существует функция


Будем исходить из первого из равенств (1.16):


Нетрудно убедиться, что ему удовлетворяет функция


где








Используя условие (1.18), перепишем это равенство так:


Выполняя интегрирование, получаем:




откуда


следовательно,


где








что и доказывает достаточность условия (1.18). Итак, тождественное выполнение равенства (1.18) является необходимым и достаточным признаком уравнения в полных дифференциалах.
Взяв одну из функций (1.25), например, ту, у которой






Если при построении функции




В формулах (1.26) и (1.27) нижние пределы интегрирования








Пример 1. Рассмотрим снова уравнение (1.11):










так что условие (1.18) выполнено. Для получения общего интеграла воспользуемся формулой (1.26), где положим




Выполняя интегрирование, получим общий интеграл опять в виде (12).
Пример 2. Дано уравнение


Условие (1.18) выполнено. Применим формулу (1.26), положив








(Мы не можем полагать


Глава 2. Интегрирующий множитель. Простейшие случаи нахождения интегрирующего множителя
.1 Общая теория
Уравнение в полных дифференциалах всегда интегрируется в квадратурах. Поэтому естественно возникает вопрос: нельзя ли уравнение не в полных дифференциалах привести к виду уравнения в полных дифференциалах? Оказывается, что во многих случаях это можно сделать. А именно, удается найти функцию




преобразуется в уравнение


в полных дифференциалах, т.е.


Такая функция






Применяя признак полного дифференциала к уравнению (2.2), находим, что интегрирующий множитель




Запишем это уравнение в развернутом виде:




Это - уравнение с частными производными с известной функцией


Тем самым мы выясняли роль интегрирующего множителя для получения уравнения в полных дифференциалах. Докажем, что при некоторых условиях, гарантирующих существование общего интеграла существует и интегрирующий множитель.
Теорема (о существовании интегрирующего множителя). Если уравнение




в некоторой области








Действительно, так как






где








Эта однородная система имеет ненулевое решение (ибо












т.е. левая часть уравнения (2.7) становиться полным дифференциалом после умножения на функцию




Пример 1. Дано уравнение


Интегрируя это линейное уравнение, получаем общий интеграл в виде


Отсюда, согласно (2.12):


С другой стороны, наше уравнение есть однородное. Поэтому оно имеет интегрирующий множитель


а соответствующим ему общим интегралом будет


В рассмотренном примере мы нашли два интегрирующих множителя для одного и того же уравнения. Кроме того, бросается в глаза связь между найденными интегралами:


Теорема (о неединственности интегрирующего множителя). Если






где





Левая часть уравнения стала полным дифференциалом функции






Возникает вопрос: содержатся ли все интегрирующие множители в формуле (2.20)?
Заметим, что так как каждому интегралу уравнения (2.1) соответствует некоторый интегрирующий множитель и обратно - каждому интегрирующему множителю, по самому определению, соответствует некоторый интеграл уравнения (2.1), то естественно ожидать, что зависимость между интегрирующими множителями есть следствие зависимости между интегралами уравнения (2.1).
Теорема (об общем виде интегрирующего множителя и её следствие). Два любых интегрирующих множителя








Пусть










Деля второе из этих равенств на первое, получаем:


Так как,




откуда ясно, что




Заметим, что в этой формуле мы можем заменить интеграл












Следствие. Если






является общим интегралом уравнения (2.1).
В самом деле, согласно формуле (2.20), мы имеем:


Равенство


В частности, если уравнение (2.1) есть уравнение в полных дифференциалах и известен интегрирующий множитель







однородное и в полных дифференциалах, то его общий интеграл дается равенством


если только левая часть этого равенства не обращается тождественно в постоянную величину.
Пример 2. Дано уравнение








Пример 3.


Это уравнение однородное и в полных дифференциалах. Поэтому


.2 Один общий способ нахождения интегрирующего множителя
Предположим, что левую часть уравнения


можно разбить на две группы:


причем так, чтобы для каждой группы можно было легко найти интегрирующий множитель. Пусть










а все интегрирующие множители второй группы - в формуле


Если удастся выбрать произвольные функции






(причем одну из функций










Пример 1. Рассмотрим уравнение


Разобьем левую часть на две группы:


Находим для каждой группы интегрирующие множители и соответствующие им интегралы:








Условие (2.33) принимает вид


Возьмем














Пример 2. Дано уравнение


Разобьем левую часть на две группы:


Для первой группы, состоящей из одного слагаемого, очевидно, интегрирующий множитель равен 1, ибо






















Чтобы правая часть была функцией только одного














.3 Случай интегрирующего множителя, зависящего только от




Предположим, что уравнение (2.29) имеет интегрирующий множитель, зависящий только от








принимает вид




Отсюда следует, что для существования интегрирующего множителя вида








Если это условие выполняется, то мы имеем:


следовательно, функция


является интегрирующим множителем уравнения (2.29).
Пример 1. Найдем интегрирующий множитель линейного уравнения


Перепишем это уравнение в дифференциальной форме:


Проверяя выполнение условия (2.46), имеем:


Следовательно, функция


есть интегрирующий множитель линейного уравнения.
Пример 2. Решить уравнение


Очевидно, что данное уравнение не является уравнением в полных дифференциалах. Попытаемся найти интегрирующий множитель



не зависит от





Данное уравнение является уравнением с разделяющимися переменными одним из решением которого, является функция





Интегрируя его, находим общее решение:

Найдем условие, при котором интегрирующий множитель зависит только от








Если коэффициент при






то интегрирующий множитель дается формулой


Пример 3. Решить дифференциальное уравнение



А значит, интегрирующий множитель существует и равен


Умножим исходное уравнение на




Это уравнение в полных дифференциалах и оно интегрируется обычным образом.
2.4 Случай интегрирующего множителя вида


Рассмотрим более общий случай, когда интегрирующий множитель представляет собой функцию от заданной функции








В этом случае уравнение (2.43) для интегрирующего множителя можно переписать так:




Если коэффициент при








Случаи интегрирующего множителя, зависящего только от








Пользуясь условием (2.57), мы можем найти условие существования интегрирующего множителя наперед заданного вида.
Например, интегрирующий множитель, зависящий только от произведения






Условие существования интегрирующего множителя, имеющего вид






Пример 1. Решить уравнение


Очевидно, найти интегрирующий множитель, зависящий только от одной переменной нельзя. Будем искать интегрирующий множитель в виде


Пусть







Умножая обе части исходного уравнения на данный интегрирующий множитель, получаем уравнение в полных дифференциалах:

Интегрируя полученное уравнение, находим общее решение:

.5 Интегрирующий множитель и особые решения
Зная интегрирующий множитель, мы можем найти не только общий интеграл уравнения, но также и все особые решения. Действительно, пусть дано уравнение (2.29):

и известно, что




Тогда мы имеем:


Поэтому данное уравнение можно переписать так:


Это уравнение распадается на два:


Первое из них приводит к общему интегралу


Отсюда получаем простое правило нахождения особых решений:
) найти линии, вдоль которых




) проверить, являются ли найденные линии интегральными кривыми, т.е. представляют ли они рения уравнений;
) проверить, содержится ли найденные решения в общем решении или нет.
Т.е. из найденных решений, которые не содержаться в общем решении, и будут особыми решениями. Если окажется, что








Исследуем при помощи интегрирующего множителя вопрос об особых решениях уравнения с разделяющими переменными и однородного уравнения.
2.6 Интегрирующий множитель уравнения с разделяющимися переменными
Уравнение (2.29) называется уравнением с разделяющимися переменными, если функции






Для решения данного уравнения необходимо умножить это уравнение на множитель


после чего получали уравнение


каждый член которого будет зависеть только от одной переменной, очевидно, получено уравнение в полных дифференциалах.
Следовательно, множитель (2.65) есть интегрирующий множитель уравнения (2.64).
Из формулы (2.65) мы видим, что интегрирующий множитель






Заключение
Дифференциальные уравнения выступают математическими моделями различных явлений механики сплошной среды, химических реакций, электрических и магнитных явлений и др. Они представляет собой исключительно богатый содержанием, быстро развивающийся раздел математики, тесно связанный с другими областями математики и с ее приложениями.
Дифференциальным уравнением называется уравнение, содержащее производные неизвестной функции.
Если в дифференциальном уравнении неизвестная функция является функцией одной независимой переменной, то оно называется обыкновенным дифференциальным уравнением.
Решением дифференциального уравнения называется функция, которая при подстановке в дифференциальное уравнение обращает его в тождество.
Уравнение в полных дифференциалах является одним из часто встречающихся дифференциальных уравнений. Данные уравнения всегда интегрируется в квадратурах. Но если уравнение не в полных дифференциалах, то его можно привести к виду уравнения в полных дифференциалах. Для это необходимо найти функцию




При соблюдении необходимых условий, гарантирующих существование общего интеграла существует и интегрирующий множитель (теорема о существовании интегрирующего множителя).
Общий интеграл имеет бесчисленное множество интегрирующих множителей. Это свойство «неединственности» интегрирующего множителя и наличия зависимости между интегралами одного и того же уравнения имеют место и для всякого уравнения, у которого обеспечено существование общего интеграла (теорема о неединственности интегрирующего множителя).
Опираясь на поставленные задачи, в данной курсовой работе так же были рассмотрены простейшие случаи нахождения интегрирующего множителя:
.случай интегрирующего множителя, зависящего только от


.случай интегрирующего множителя, зависящего только от


.случай интегрирующего множителя вида


.интегрирующий множитель уравнения с разделяющимися переменными;
.интегрирующий множитель и особые решения.
Последний исследуемый случай говорит о том, что зная интегрирующий множитель, можем найти не только общий интеграл уравнения, но также и все особые решения. Особым решением уравнения может быть только такое решение, вдоль которого интегрирующий множитель обращается в бесконечность.
интегрирующий множитель дифференциал
Список использованной литературы
1.Арнольд, В.И. Обыкновенные дифференциальные уравнения / В.И. Арнольд. - М. : Наука, 1971. - 240 с.
2.Кудрявцев, Л.Д. Курс математического анализа / Л.Д. Кудрявцев. - М.: Высшая школа, 1981, т. 1. - 687 с..
.Матвеев, Н.М. Методы интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений / Н.М. Матвеев. - СПб : Издательство Ленинградского Университета, 1955. - 650 с.
.Фихтенгольц, Г.М. Основы математического анализа / Г.М. Фихтенгольц. - Часть 1. 6-е изд., стер. - СПб: Издательство «Лань», 2005. - 448с.
.Ильин, В.А. Высшая математика: учебник для вузов / В.А. Ильин, А.В. Куркина. - М.: Проспект, 2002. - 592 с.
.Бугров Я.С. Высшая математика: учебник для вузов: в 3 т. / Я.С. Бугров, С.М. Никольский; под ред. В.А. Садовничего. - 6-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004.
7.Дифференциальные уравнения первого порядка [Электронный ресурс] / Высшая математика, Александр Емелин. - М.: 2010-2014. - Рыжим доступа: . - Дата доступа: 02.05.2014.