Методы решения физико-математических задач

Типы дифференциальных уравнений

Основные типы обыкновенных дифференциальных уравнений
Перечислены основные типы обыкновенных дифференциальных уравнений (ДУ), допускающие решение. Для каждого типа указана ссылка на страницу, содержащую метод решения и подробные примеры.
Содержание
См. также:

Далее в тексте s,  p,  q,  r – функции своих аргументов. Штрих ′ означает производную по аргументу. a,  b,  c,  a1 ,  b1 ,  c1 ,   a2 ,  b2 ,  c2 , ...  α,  β – постоянные.

Дифференциальные уравнения первого порядка

Особенности дифференциальных уравнений первого порядка

При решении уравнений первого порядка функцию y и переменную x следует считать равноправными. То есть решение может быть в виде y (x )  так и в виде x (y )  . 

Дифференциальные уравнения первого порядка, разрешенные относительно производной

Уравнения с разделяющимися переменными

p (x ) q (y ) y ′ + r (x ) s (y )  = 0 ; 
p (x ) q (y ) dy + r (x ) s (y ) dx = 0 .    Подробнее
Приводящиеся к уравнениям с разделяющимися переменными:
y ′ =  f (ax + by + c )    Подробнее

Однородные уравнения

Однородные уравнения не меняют свой вид при замене
y → ty,  x → tx , 
где t – постоянная. При такой замене производная не меняется:
y ′ ≡ dydx → d (ty ) d (tx )  = tt ⋅ dydx = y ′ . 
В общем виде их можно выразить через однородную функцию:
 f (x, y, y ′ )  = 0 ,  где
 f (tx, ty, y ′ )  = t p  f (x, y, y ′ )  . 

Уравнения, разрешенные относительно производных можно выразить через произвольную функцию:
y ′ = F ( yx  )  . 
Такие уравнения можно также записать посредством однородных функций:
M (x, y )  ⋅ y ′ + N (x, y )  = 0 , 
где M (x, y )  и N (x, y )  – однородные функции с равными показателями однородности p , то есть обладающие следующим свойством:
M (tx, ty )  = t p M (x, y ) ,   N (tx, ty )  = t p N (x, y )  .    Подробнее

Приводящиеся к однородным
M (a1 x + b1 y + c1 ,  a2 x + b2 y + c2 )  y ′ +  N (a1 x + b1 y + c1 ,  a2 x + b2 y + c2 )  = 0 , 
где M (u, v )  и N (u, v )  – однородные функции с равными показателями однородности. Такие уравнения можно выразить через произвольную функцию F :
y ′ = F ( a1 x + b1 y + c1 a2 x + b2 y + c2   )  .    Подробнее

Обобщенно однородные уравнения не меняют свой вид при замене
y → t s y,  x → tx , 
где t – постоянная, s ≠ 0,  s ≠ 1 .  Замена для производной:
y ′ ≡ dydx → d (t s y ) d (tx )  =  t s t ⋅ dydx = t s – 1 y ′ . 
В общем виде их можно записать так:
 f (x, y, y ′ )  = 0 ,  где
 f (tx, t s y, t s – 1 y ′ )  = t p  f (x, y, y ′ )  . 

Обобщенно однородные уравнения, разрешенные относительно производной, можно выразить через произвольную функцию:
y ′ = x s – 1 F ( yx s   )  . 
Их можно записать посредством однородных функций:
M (x s , y )  ⋅ xx s  ⋅ y ′ + N (x s , y )  = 0 , 
где M (u, v )  и N (u, v )  – однородные функции с равными показателями однородности.
Подробнее

Линейные дифференциальные уравнения и приводящиеся к ним

Подробнее

Уравнения Бернулли:
s (x ) y ′ + p (x ) y + q (x ) y n  = 0 .    Подробнее

Уравнения Риккати

s (x ) y ′ + p (x ) y 2  + q (x ) y + r (x )  = 0 .    Подробнее

Уравнения Якоби

(a1 x + b1 y + c1 ) dx + (a2 x + b2 y + c2 ) dy + (a3 x + b3 y + c3 ) (xdy – ydx )  = 0 . 
Подробнее

Уравнения в полных дифференциалах

p (x,  y ) dx + q (x,  y ) dy = 0   при условии ∂p∂y = ∂q∂x  . 
Тогда p (x, y ) dx + q (x, y ) dy = dU (x, y )  = 0 .  Подробнее

Интегрирующий множитель

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:
p (x, y )  dx + q (x, y )  dy = 0 ; 
M (x, y ) (p (x, y )  dx + q (x, y )  dy  )  =  M (x, y )  p (x, y )  dx +  M (x, y )  q (x, y )  dy = dU = 0 .    Подробнее

Уравнения, не разрешенные относительно производной y′

Уравнения, допускающие решение относительно производной y′

Сначала нужно попытаться разрешить уравнение относительно производной y′ . Если это возможно, то уравнение может быть приведено к одному из перечисленных выше типов.

Уравнения, не разрешенные относительно производной y′

Уравнения, допускающие разложение на множители:
 f 1 (x,  y,  y ′ )  ⋅  f 2 (x,  y,  y ′ )  ⋅  f 3 (x,  y,  y ′ ) ⋅ ⋅ ⋅ f n (x,  y,  y ′ )  = 0 . 
Подробнее
Уравнения, не содержащие x и y:
 f (y ′ )  = 0 .    Подробнее
Уравнения, не содержащие x или y:
 f (x,  y ′ )  = 0 ,  или  f (y,  y ′ )  = 0 .    Подробнее

Уравнения, разрешенные относительно зависимой переменной y

Уравнения Клеро:
y = y ′x + p (y ′ )  .    Подробнее
Уравнения Лагранжа:
y =  f (y ′ ) x + p (y ′ )  .    Подробнее
Уравнения, приводящиеся к уравнению Бернулли:
y = xy ′ + x α  f (y ′ )  ; 
y = xy ′ + y α  f (y ′ )  .    Подробнее

Дифференциальные уравнения высших порядков

Дифференциальные уравнения высших порядков, решаемые в квадратурах

Уравнения, содержащие переменную и старшую производную

Общий случай:
F (x,  y (n )  )  = 0 .    Подробнее
Разрешенные относительно старшей производной:
y (n )   =  f (x )  .    Подробнее
Разрешенные относительно переменной:
x =  f (y (n )  )  .    Подробнее

Уравнения, содержащие только производные порядков n и n-1

Общий случай:
F (y (n – 1 )  , y (n )  )  = 0 .    Подробнее
Разрешенные относительно младшей производной:
y (n – 1 )   =  f (y (n )  )  .    Подробнее
Разрешенные относительно старшей производной:
y (n )   =  f (y (n – 1 )  )  .    Подробнее

Уравнения, содержащие только производные порядков n и n-2

Общий случай:
F (y (n – 2 )  , y (n )  )  = 0 .    Подробнее
Разрешенные относительно старшей производной:
y (n )   =  f (y (n – 2 )  )  .    Подробнее

Дифференциальные уравнения, допускающие понижение порядка

Уравнения, не содержащие зависимую переменную y (и возможно несколько первых производных):
 f (x, y ′, y ′′, y ′′′,..., y (n )  )  = 0 ,  или
 f (x, y (m )  , y (m + 1 )  , y (m + 2 )  ,...,  y (n )  )  = 0 .    Подробнее
Уравнения, не содержащие независимую переменную x:
 f (y, y ′, y ′′, y ′′′,..., y (n )  )  = 0 .    Подробнее
Уравнения, однородные относительно функции и ее производных y, y′, y′′, ... :
 f (x,  y,  y ′,  y ′′,...,  y (n )  )  = 0 ,  причем
 f (x,  ty,  ty ′,  ty ′′,...,  ty (n )  )  =  t p  f (x,  y,  y ′,  y ′′,...,  y (n )  )  . 
Их можно выразить через произвольную функцию:
F ( x, y ′y , y ′′y , y ′′′y , ⋅ ⋅ ⋅, y (n )  y  )  = 0   Подробнее
Обобщенно однородные уравнения относительно переменных x, y:
 f (x,  y,  y ′,  y ′′,...,  y (n )  )  = 0 ,  причем
 f ( tx, t s y, t s dytdx , t s d 2 yt 2 dx 2  ,...   , t s d n yt n dx n   )  =  t p  f (x,  y,  y ′,  y ′′,...,  y (n )  )  . 
Выраженные через произвольную функцию:
F ( yx s  , y ′x s – 1  , y ′′x s – 2  , ⋅ ⋅ ⋅, y (n )  x s – n   )  = 0   Подробнее
Дифференциальные уравнения с полной производной:
 f (x,  y,  y ′,  y ′′,...,  y (n )  )  =  ddx (Φ(x,  y,  y ′,  y ′′,...,   y (n – 1 )  ) )  = 0 .    Подробнее

Линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами и приводящиеся к ним

Линейные однородные уравнения с постоянными коэффициентами:
an y (n )   + ...  + a2 y  ′′  + a1 y  ′  + a0 y = 0 .    Подробнее
Линейные неоднородные уравнения с постоянными коэффициентами:
an y (n )   + ...  + a2 y  ′′  +  a1 y  ′  + a0 y =  f (x )  . 
Решение методом Бернулли (двух функций)
Решение методом Лагранжа (вариация постоянных)
Решение линейной подстановкой
Линейные неоднородные уравнения со специальной неоднородной частью:
an y (n )   + ...  + a2 y  ′′  + a1 y  ′  + a0 y =  e αx  ⋅ (Ps1 (x ) cos (βx )  +  Qs2 (x ) sin (βx ) )  , 
где Ps1 (x ) ,  Qs2 (x )  – многочлены степеней s1  и s2  .    Подробнее
Уравнения Эйлера:
an x n y (n )   + an – 1 x n – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅+ a2 x 2 y ′′+ a1 xy ′+ a0 y =  f (x )  .    Подробнее

Использованная литература:
В.В. Степанов, Курс дифференциальных уравнений, «ЛКИ», 2015.
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню