📜  精确方程和积分因子

📅  最后修改于: 2021-06-24 17:31:24             🧑  作者: Mango

微分方程用于描述许多物理现象。它们帮助我们观察现实生活中发生的事情,并将其以数学形式表示。在此级别上,我们主要关注线性和一阶微分方程。如果y的所有导数仅出现一次幂,则“ y”中的微分方程为线性。因此,它具有以下形式:y的所有导数仅出现在一次幂上。它的形式如下

A_{n}y^{n}+A_{n-2}y^{n-1}+...+A_{1}y'+A_{0}y = f

允许系数仅取决于自变量。注意,该顺序可以任意大。我们将看一下精确的微分方程。这些方程是一阶微分方程。

精确的微分方程

它是一阶微分方程,看起来像

M(x,y)dx + N(x,y)dy = 0

它有一个特殊的函数I(x,y),它的偏导数可以代替M和N,例如,

\frac{\partial{I}}{\partial{x}}dx + \frac{\partial{I}}{\partial{y}}dy = 0

解决这些方程式意味着找到函数I(x,y)=C。

检查方程是否正确:

假设有一个求解函数I(x,y)。然后,

\frac{\partial{M}}{\partial{y}} = \frac{\partial^{2}{I}}{\partial{x}\partial{y}}{}

\frac{\partial{N}}{\partial{x}} = \frac{\partial^{2}{I}}{\partial{x}\partial{y}}{}

他们最终应该一样。因此,要检查方程是否正确,只需计算这些偏导数即可。因此,既然我们已经检查了方程的正确性,我们将继续寻找该方程的解。

计算精确微分方程的解:

通用解可以通过以下两种方式之一进行计算:

  1. I(x,y) = \int M(x,y)dx (以x为自变量)
  2. I(x,y) = \int N(x,y)dy (以y为自变量)

这样,一般的解决方案就变成了

I(x,y)= C

样本问题

问题1:求解:(3x 2 y 3 – 5x 4 )dx +(y + 3x 3 y 2 )dy = 0

解决方案:

问题2:针对以下问题求解微分方程:

(x 2 + 3y 2 )dy + 2xydx = 0

解决方案:

问题3:求解y dx +(2y + xe y )dy = 0

解决方案:

整合因子

这也是求解线性微分方程的另一种方法。

\frac{dy}{dx} + Py = Q

上式表示线性一阶微分方程。 P和Q是x的常数或函数。以下步骤概述了如何使用积分因子求解这种形式的一阶线性方程。

步骤1:以形式写给定的微分方程\frac{dy}{dx} + Py = Q ,其中P和Q只是常数或x的函数。

步骤2:找出整合因素I.F = e^{\int Pdx}

步骤3:将微分方程的解写为y(I.F) = Q(I.F)dx + C

样本问题

问题1:找到以下方程式的一般解,

\frac{dy}{dx} - y = cosx

解决方案:

问题2:找到微分方程的一般解,

\frac{dy}{dx}-\frac{3y}{x+1}=(x+1)^4

解决方案:

问题3:微分方程的一般解是?

\frac{dy}{dx}+\frac{3y}{x}=\frac{e^x}{x^3}

解决方案:

特殊整合因素

到目前为止,我们已经了解了关于精确微分方程的所有知识以及如何求解它们,但是有时我们会遇到某些方程“几乎精确”但不是精确的微分方程,因为它们不是精确的,而是通过做一些事而由精确微分方程形成的。他们的变化。如果我们可以追溯并再次使方程式精确,则该问题将很容易解决。

为了追溯到精确积分因子,可将方程式与一个称为“特殊积分因子”的乘积相乘。 \mu(x) 或者 \mu(y) (取决于问题陈述)。

仅使用x的积分因子

假设给定的几乎精确的方程M(x,y)dx + N(x,y)dy = 0 [几乎精确]

让我们乘以特殊的积分因子\mu(x)

\mu(x) ×M(x,y)dx + \mu(x) ×N(x,y)dy = 0

现在,为了使上述方程式精确,必须具有以下值: \mu(x),特殊积分因子的公式,

问题:求解微分方程,(1 + y 2 )dx + xydy = 0

解决方案:

仅使用y的积分因子

同样,可以通过将几乎精确的方程乘以特殊的积分因子来获得精确方程\mu(y) ,公式为

问题:求解微分方程,(2y 2 + 2y + 4x 2 )dx +(2xy + x)dy = 0

解决方案: