umumiy koʻrinishi
�(�) ∙ �′(�) + �(�) ∙ �(�) = �(�)
standart koʻrinishi esa
�′(�) + �(�) ∙ �(�) = �(�)
boʻladi.
Standart koʻrinishda berilgan chiziqli bir jinsli boʻlmagan birinchi tartibli differensial tenglamani ikki xil usulda yechishni koʻrib chiqamiz:
Oʻzgarmasni variatsiyalash usuli.
2) Bernulli usuli.
Oʻzgarmasni variatsiyalash usuli algoritmi quyidagicha:
�′ + �(�) ∙ � = 0 – oʻzgaruvchilari ajraladigan differensial tenglama yechiladi ⟹ �(�) = �(�, �) – umumiy yechim topiladi.
𝒄 ni oʻrniga biror bir u(x) – x ning funksiyasini qoʻyamiz ⟹ � =
�(�) ⟹
�(�) = �(�(�), �), usulning nomi ham shundan kelib chiqqan –
oʻzgarmasni variatsiyalash (oʻzgartirish)
3. �(�) = �(�(�), �) ni �′ + �(�) ∙ � = �(�) differensial tenglamaga
qoʻyamiz.
Eslatma: Ushbu fokusdan keyin tenglama oʻzgaruvchilari ajraladigan differensial tenglamaga kelishi lozim!
Hosil boʻlgan oʻzgaruvchilari ajraladigan differensial tenglamani yechib, u(x) ni topamiz.
u(x) ni ifodasini �(�) = �(�(�), �) ga qoʻyib umumiy yechimni
topamiz.
Misol 1. �′ + 2�� = � ∙ �−�2
1. �′ + 2�� = 0 ⟹ �� = −2��� ⟹ 𝑙𝑛|�| = −�2 + � ⟹ � =
�
𝐶 ∙ �−�2
2. � = 𝐶 ∙ �−�2 ⟹ 𝐶 = �(�) ⟹ � = �(�) ∙ �−�2
3. (� ∙ �−�2 )′ + 2� ∙ � ∙ �−�2 = � ∙ �−�2 ⟹
�′ ∙ �−�2 + � ∙ (−2�) ∙ �−�2 + 2� ∙ � ∙ �−�2 = � ∙ �−�2 ⟹
�′ = �
4. �′ = � ⟹ � = 1 �2 + 𝐶
2
5. � = �(�) ∙ �−�2 ⟹ � = (1 �2 + 𝐶) ∙ �−�2
2
Misol 3. �′ + � − 2��2 = 0, �(1) = �
�
Misol 4. � ′ − 2�
�+1
= (� + 1)3, �(0) = 1
2
Misol 5. �′ + � ∙ ��� = 1
��𝑠�
Bernulli usuli algoritmi quyidagicha:
� = � ∙ � ⟹ bunda �, � − hozircha nomaʼlum funksiyalar,
almashtirish bajaramiz.
� = � ∙ � almashtirishni differensial tenglamaga qoʻyamiz ⟹ (� ∙ �)′ + �(�) ∙ � ∙ � = �(�) ⟹ �′� + � ∙ �′ + �(�) ∙ � ∙ �
= �(�)
Ikkinchi va uchinchi qoʻshiluvchilardan qavsdan tashqariga
chiqarsa boʻladigan hamma narsa chiqariladi:
�′� + �(�′ + �(�)�) = �(�)
Tenglamalar sistemasiga kelamiz:
′
� + �(�)� = 0
{ �′� = �(�)
Birinchi tenglamadan v ni topamiz, faqat bu bosqichda C
qatnashmaydi.
v ni ifodasini 2-tenglamaga qoʻyib u ni topamiz, C qatnashadi.
� = � ∙ � – ga u va v – lar ifodalarini qoʻyamiz.
Misol 2. �′ = 2�(�2 + �)
1. � = � ∙ �
2. �′� + � ∙ �′ − 2� ∙ � ∙ � = 2�3 ⟹ �′� + � ∙ (�′ − 2� ∙ �) =
2�3
3. {�′ − 2�� = 0
�′� = 2�3
4. �′ − 2�� = 0 ⟹ �𝑣 = 2��� ⟹ 𝑙𝑛|�| = �2 ⟹ � = ��2 ,
𝑣
bu bosqichda � − qatnashmaydi.
5. �′� = 2�3 ⟹ �′ ∙ ��2 = 2�3 ⟹ �′ = 2�3 ∙ �−�2 ⟹
� = ∫ 2�3 ∙ �−�2 �� = −�2 ∙ �−�2 − �−�2 + �
6. � = � ∙ � ⟹ � = (−�2 ∙ �−�2 − �−�2 + �) ∙ ��2 = −�2 − 1 +
� ∙ ��2 -umumiy yechim boʻladi.
Diffеrеnsiаl tеnglаmаning yеchimigа оdаtdа diffеrеnsiаl tеnglаmаning intеgrаl chizig`i hаm dеyilаdi.
Endi birinchi tаrtibli diffеrеnsiаl tеnglаmаning gеоmеtrik intеrprеtаsiyasini ko`rаylik. BERNULLI DIFFERENSIAL TENGLAMASI.
Bernulli differensial tenglamasi deb,
�′ + �(�) ∙ � = �(�) ∙ �𝑎
koʻrinishdagi differensial tenglamaga aytiladi.
Koʻrinib turibtiki Bernulli differensial tenglamasi tuzilishi boʻyicha chiziqli bir jinsli boʻlmagan birinchi tartibli differensial tenglamani eslatayapti. Differensial tenglama Bernulli differensial tenglamasi ekanligini aniqlash uchun oʻng tomonda y ning a-darajasi qatnashganligidir.
� = 0 boʻlganda �′ + �(�) ∙ � = �(�)
� = 1 boʻlganda �′ + (�(�) − �(�)) ∙ � = 0
koʻrinishdagi differensial tenglamalarga keladi, ularni qanday qilib
yechishni esa koʻrib chiqdik.
y ning darajasidagi a –musbat ham (a>0), manfiy ham (a<0), kasr son
ham (� = 1
2
1
⟹ � 2 = √� ) boʻlishi mumkin.
Bernulli tenglamasi turli xil koʻrinishlarda berilishi mumkin:
�(�) ∙ � ′ + � (� ) ∙ � = �(�) ∙ � 𝑎
�(�) ∙ � ′ + � = �(�) ∙ � 𝑎
� ′ + � = �(�) ∙ � 𝑎
� ′ + � (� ) ∙ � = � 𝑎
Muhimi y ning birdan farqli darajasi qatnashsa boʻlgani. a>0 boʻlganda
y=0 yechim Bernulli tenglamasining xususiy yechimi boʻladi.
Shunday qilib Bernulli tenglamasini yechish algoritmi quyidagicha:
Oʻng tomondagi �𝑎 dan qutulish lozim. Buning uchun tenglamani ikkala tomonini �𝑎 ga boʻlamiz.
�′
�1−𝑎 dan qutulish lozim, buning uchun �1−𝑎 = � deb belgilash
kiritamiz.
′
3. � ′ = (1 − � ) �
𝑎
�
⟹ � ′ =
� ′ ⟹ 1
� ′ + � (� ) ∙ � = �(�)
koʻrinishdagi chiziqli bir jinsli boʻlmagan 1-tartibli differensial
tenglamaga kelamiz. Uni yechish algoritmini esa bilamiz.
Misol 3. √1 − � 2 ∙ � ′ + � = ����𝑖𝑛� ∙ � 2, � (0 ) = −1
Oʻng tomonda y dan qutulish kerak.
Konturga olingan qoʻshiluvchida y dan qutulish kerak, buning uchun
1 = � almashtirish bajaramiz.
′
�
3. � ′ = − �
⟹ �′ = −�2 ∙ �′ ⟹ −√1 − �2 ∙ �′ + � =
�2
����𝑖𝑛� ⟹
�′ − 1
√1 − � 2
��� �𝑖 𝑛�
� = −
√1 − � 2
Natijada Bernulli differensial tenglamasidan chiziqli bir jinsli boʻlmagan
birinchi tartibli differensial tenglamaga kelamiz. Bunday tenglamalarni yechish usullarini esa bilamiz.
KLERO DIFFERENSIAL TENGLAMASI
Taʼrif. x va y ga nisbatan chiziqli boʻlgan koeffitsiyentlari esa � ′ ning funksiyalari boʻlgan differensial tenglamaga
𝐹 (� ′) ∙ � + � (� ′) ∙ � + � (� ′) = 0
LAGRANJ DIFFERENSIAL TENGLAMASI deyiladi.
Ushbu tenglamani yechish algoritmi quyidagicha:
Umumiy yechimni topish uchun � = �′ oʻzgaruvchi almashtiriladi. Differensial tenglama quyidagicha koʻrinishga keltiriladi:
� = � ∙ � (� ) + 𝜑(�)
′
bunda � (� ) = − 𝐹(� )
� (� ′)
, 𝜑(�) = − �(� )
′
�(� ′)
Ushbu tenglamani �′ = � ⟹ �� = ��� ekanligini eʼtiborga olib
differensiallaymiz.
�� = �(� ∙ �(�) + 𝜑(�)) ⟹ ���
= �(�)�� + � ∙ �′(�)�� + 𝜑′(�)��
3) x ga nisbatan chiziqli boʻlgan ushbu differensial tenglamaning
yechimi x=F(p,c) boʻlsa, u holda Lagranj differensial tenglamaning umumiy yechimi quyidagicha boʻladi:
� = 𝐹(�, �)
{
� = � ∙ �(�) + 𝜑(�) = 𝐹(�, �) ∙ �(�) + 𝜑(�)
Taʼrif. x va y ga nisbatan chiziqli boʻlgan koeffitsiyentlari esa �′ ning
funksiyalari boʻlgan quyidagicha differensial tenglamaga
� = � ∙ �′ + 𝜑(�′)
KLERO DIFFERENSIAL TENGLAMASI deyiladi.
Klero differensial tenglamasi Lagranj differensial tenglamasining xususiy holi hisoblanadi. Ushbu differensial tenglamani yechish algoritmi quyidagicha:
1) �′ = � ⟹ � = � ∙ � + 𝜑(�)
2) �′ = � ⟹ �� = ��� ⟹ �� = �(� ∙ � + 𝜑(�)) ⟹
�′�� = ��� + ��� + 𝜑′(�)�� ⟹ ���
= ��� + ��� + 𝜑′(�)��
Oxirgi ifodani dx ga boʻlamiz
��
� = � + �
��
′
+ 𝜑′(�) ��
��
⟹ (� + 𝜑′(�)) �� = 0
��
3) {� + 𝜑
(�) = 0
�� = 0 ⟹
Birinchi yechim: �� = 0 ⟹ � = 𝐶 ⟹ � = 𝐶 ∙ � + 𝜑(𝐶)
� = � ∙ � + 𝜑(�)
Ikkinchi yechim esa: {
� + 𝜑′(�) = 0 parametrik tenglamalar
sistemasini yechish orqali hosil qilinadi. Hosil boʻlgan F(x,y)=0 ikkinchi
yechim ixtiyoriy oʻzgarmas sonni oʻz ichiga olmaydi va umumiy yechimdan ham C ning biror bir qiymati orqali hosil qilinmaydi, demak xususiy yechim emas. Bunday yechimlar maxsus yechim (integral) hisoblanadi. Shunday qilib Klero tenglamasining maxsus yechimi umumiy yechim (integral) bilan berilgan toʻgʻri chiziqlar oilasining egilish chizigini aniqlaydi, boshqacha qilib aytganda maxsus yechimning ixtiyoriy nuqtasiga oʻtqazilgan urinma ham differensial tenglama yechimi boʻladi. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b3/EnvelopeAnim.g if
Klero differensial tenglamasi koʻp hollarda analitik geometriyada 2- tartibli egri chiziqlarni qurish uchun ishlatiladi. Egri chiziqni uning urinmasiga qoʻyilgan xossalari boʻyicha aniqlaydigan geometrik masalalar Klero tenglamasiga olib keladi. Ushbu xossa aynan urinmaga tegishli boʻlib, urinadigan nuqtaga tegishli emas. Haqiqatdan ham urinma tenglamasi:
� − � = �′(� − �) yoki � = �′� + (� − ��′)
Urinmaning har qanday xossasi (� − ��′) va �′ oʻrtasidagi munosabat
bilan aniqlanadi:
Ф(� − ��′, �′ )=0
Ushbu tenglamani � − ��′ ga nisbatan yechilsa, aynan
� = � ∙ �′ + 𝜑(�′) Klero tenglamasiga kelamiz.
Misol. � = � ∙ �′ + (�′)2
1) �′ = � ⟹ � = � ∙ � + �2
2) �′ = � ⟹ �� = ��� ⟹ �� = �(� ∙ � + �2)
�′�� = ��� + ��� + 2��� ⟹ ��� = ��� + ��� + 2���
Oxirgi ifodani dx ga boʻlamiz
� = � + � �� + 2� ��
⟹ (� + 2�) �� = 0 – ushbu tenglama mumkin
�� �� ��
boʻlgan ikki xil yechimga ega.
3) {� + 2� = 0
⟹
�� = 0
1-yechim: �� = 0 ⟹ � = 𝐶 ⟹ � = 𝐶 ∙ � + 𝜑(𝐶) Klero
tenglamasining umumiy integrali
(yechimi) toʻgʻri chiziqlar oilasini tashkil qiladi.
2-yechim: yechim parametrik koʻrinishda tenglamalar sistemasidan topiladi:
2
{� = � ∙ � + �
� + 2� = 0 ⇒ ushbu sistemadan � ni yoʻqotib ikkinchi
yechimni topamiz
�
� = −
2
⇒ � = � ∙ (−
� � 2 �2
) + (− ) = −
2 2 4
�2
⇒ � = −
4
Ikkinchi yechim ixtiyoriy oʻzgarmas sonni oʻz ichiga olmaydi va umumiy
yechimdan ham C ning biror bir qiymati orqali hosil qilinmaydi, demak xususiy yechim emas. Bunday yechimlar maxsus yechim (integral) hisoblanadi.
O’zgarmas koeffisiyentli chiziqli differensial tenglamalar sistemasi.
Bunday sistemaning sodda ko’rinishi
dyi
n
aij y j
fi (x)
(1)
(i
1, n)
dx j 1
dan iborat, bunda
aij
o’zgarmas sonlar.
fi (x)esa ko’rilayotgan oraliqda
aniqlangan va uzluksiz funksiyadir.
Ma’lumki, bir jinsli bo’lmagan chiziqli differensial tenglamalar sistemasining umumiy yechimini topish uchun, unga mos bo’lgan bir jinsli chiziqli differensial tenglamalar sistemasining umumiy yechimini topishga to’g’ri keladi.
Shuning uchun xam biz dastavval o’zgarmas koeffisiyentli bir jinsli chiziqli differensial tenglamalar sistemasining umumiy yechimini kvadraturasiz topish usulini qaraymiz.
Bir jinsli, o’zgarmas koeffisiyentli chiziqli differensial tenglamalar sistemasi berilgan bo’lsin.
dyi
n
aij y j
(2)
dx j 1
Ma’lumki (2) sistemani, unga ekvivalent bo’lgan bitta 𝑛-tartibli differensial
tenglamaga keltirish mumkin.
x
Shuning uchun (2) sistemasining xususiy yechimlarini
1
y1
ex ,
y2
ex ,......,
yn n
(3)
2
e
ko’rinishda izlaymiz.
Bunda i va lar o’zgarmas sonlardir.
Ularni shunday tanlab olamizki (3), (2) sistemani qanoatlantirsin. Buning uchun (2) ga (3) olib borib qo’yamiz.
x
i e
n
aij j ex yoki i
j 1
n
aij j j 1
buni ochib yozsak
( a11 ) 1 a122
a133
..... a1nn 0
a211 ( a22 ) 2
a233 ..... a2nn 0
(4).
an1 1 an2 2
an33 ..... (ann
)n 0
Bu 1 ,2 ,....,n , larga nisbatan bir jinsli algebraik tenglamalar sistemasidir.Bu sistema trivial bo’lmagan yechimga ega bulishligi uchun, uning asos determinanti nolga teng bo’lishi zarur.
()
a11 a21 an1
a12 a22
an2
a13 .....a1n
a23 .....a2n 0
an3 .......ann
(5).
(5) ga (2) sistemaga mos bo’lgan xarakteristik tenglama deyiladi. Uning ildizlariga xarakteristik son deyiladi.
(5) ga nisbatan n- darajali algebraik tenglamadir
(3), (2) sistemaning xususiy yechimi bo’lishligi uchun (5) xarakteristik tenglamaning ildizi bo’lishi kerak.
(4) ning koeffisiyentlaridan ushbu matrisani tuzamiz
()
a11 a21 an1
a12 a22
an2
a13 .....a1n
a23 .....a2n
an3 .......ann
(6).
Faraz etaylik xarakteristik tenglamaning 1 ,2 ,...,n
bir-biriga teng bo’lmasin.
ildizlari haqiqiy va
Agar
j
ildizni (5) ga olib borib qo’ysak
Isbot etamizkim
j qiymatda (5) determinantning xech bo’lmaganda
𝑛 − 1 tartibli minorlaridan biri nolga teng bo’lmaydi.
Haqiqatan xam
uchun
j
xarakteristik tenglamaning oddiy ildizi bo’lgani
j
(j
) 0
(8)
nolga teng bo’lmaydi. Ikkinchi tomondan
1
( ) 0
a12 ...
a22 .....
a1 n a2 n
a11
a21
0
1...
a1 n
a2n
0
a11
an2 ...
a12
ann
0
n
an1
0...
ann
(9)
a21
an1
a22 ...
an2 ...
0 kk ()
1
r 1
Bunda
kk (),
()
determinantdagi
akk
elementining algebraik
tuldiruvchisi bo’ladi.Agar j
kiymatini (9) keltirib qo’ysak (8) ga
asosan
kk (j )
larning xech bo’lmaganda biri nolga teng bo’lmaydi, ya’ni
(9) dagi n-1 tartibli determinantlardan xech bo’lmaganda biri nolga teng bo’lmaydi.
Bundan, (6) matrisaning rangi n-1 ga tengligi kelib chiqadi. Ya’ni (4) sistemadagi tenglamalardan biri qolganlarini natijasi ekanligi kelib chiqadi.
U xolda (4) sistema trivial bo’lmaganj1 ,j 2 ,...,jn
yechimlarga ega .
Lekin matrisaning rangi n-1 ga teng bo’lgani uchun, bu ildizlar bir-biridan o’zgarmas songa fark kiladi.
j1 c j Aj1 ,
j 2
c j Aj 2 ,....jn
c j Ajn ,
Bunda
Aji lar o’zgarmas sonlardir.
Agar c j
1 teng deb, bu qiymatlarni (3) ga qo’ysak, xarakteristik
tenglamaning
yechimlari.
j
ildiziga mos bo’lgan (2) sistemaning xususiy
y j1 Aj1e
jx ,
y j 2
Aj 2 e
jx
,...... y jn
Ajn e
jx ,
(10)
ga ega bo’lamiz.
Ma’lumki (2) sistemaning xususiy yechimlarini biror o’zgarmas songa ko’paytirsak, xosil bo’lgan ifoda yana berilgan sistemaning yechimi bo’ladi.
Shunga kura, xarakteristik tenglamaning 1 ,2 ,...,n
ildizlari uchun
yukoridagi muloxazalarni ishlatsak, sistemaning n- ta (10) ko’rinishdagi xususiy yechimlarini aniqlash mumkin.
Isbot etish mumkinkim, bu topilgan xususiy yechimlar, berilgan sistemaning fundamental yechimlar sistemasini tashkil etadi.
Misol 1
x2 x y
y3x 4 y
qo' ysak
x 1e
y 2e
t
t
tenglamaga
(2 )1
2 0
(*)
31 (4 )2 0
xarakteristik tenglama tuzamiz
2
1 2
3
1
0
4
2 65 0
2
1 1,
1
2 5
1
1
1
1 2 0
1
1
2 1
1
2
3 1
32 0
x11
et
y12
et c
2
5
3 1 2 0
3
1
3
3 1
2 0
x21
e5 t
y22
3e5t c
1
2
x(t) c x
c et c e5t
11 2 21 1 2
y( t) c x
c et 3 c e5t
Farazetaylikxarakteristiktenglama 1 ikonpleksildizgaegabo’lsin. Xarakteristiktenglamaningkoeffisiyentlarihaqiqiysonalardaniboratbo’lganiuc hunuigaqo’shmabo’lgan 2 ikompleksildizgaxamegabo’ladi..
e
Xarakteristik tenglamaning yechimi
1 i
ildiziga mos bo’lgan (2) sistemaning
y j
( i) x
j
j
exeix
j
ex (cos x i sin x)
j kompleks son bo’lgani uchun uni j
x
mumkin. U xolda
1/
y j ( ij
x
(cos x sin x) ex
( ij cos x 2 j sin x)
( ij sin x 2 j cos x)
x
yij
y2 j
e (ij cos x 2 j sin x)
ij 2 j
ex ( sin x cos x)
( j 1, n)
yechimlarga ega bulamiz. Bundan kurinadikim xarakteristik tenglamaning bir juft kompleks ildiziga (2) sistemaning 2 ta haqiqiy yechimi mos keladi. Misol 2
xx y
1
2
y2x 3y
x et
y et
(1 ) 1
2 0
1 1
0
2 1 (3 ) 2 0
2 3
2 4 x 5 0
1,2
2 i
2 i
(1 i) 1
2 0
1
2
(1 i)
1 1
1
2
1 i
~x e( 2 i ) t
e2t (cost i sin t)
~y (1 i) e( 2i )t
e2t (cost i sin t) (cost sin t)
x11
e2t cos t
2
y12
e2t (cost sin t)
2
c1 , c2
x21 e
t sin t
y22 e
t (cost sin t)
x(t) c e2t cos t c
e2t sin t e2t (c
cos t c
sin t)
1
y( t) e2t ( c
) cos t ( c2
) sin t
v) Faraz etaylik xarakteristik tenglama karrali ildizlarga ega bulsin. U xolda sistemaning umumiy yechimini oldingi metodlar bilan topa olmaymiz. Lekin bu xolda xam uning umumiy yechimini elementar funksiyalar yordamida topish mumkin.
O’zgarmas koeffisiyentli chiziqli differensial tenglamada qurgan edikim agar j
xarakteristik tenglamaning k- karrali ildizi bo’lsa, tenglamaning bu ildizlariga mos bo’lgan k ta chiziqli bog’liq bo’lmagan yechimlari mavjud bo’ladi.
Xulosa
Birinchi tartibli differensial tenglamalarning muhim sinflaridan biri Bernulli differensial tenglamasi va uni yechishda muhim rol o`ynaydigan birinchi tartibli chiziqli differensial tenglamani yechishni turli usullarini o`rganish muhim ahamiyatga egadir.
Bitiruv malakaviy ishida chiziqli tenglamalarning yechishning Eyler- Bernulli va Lagranj usullari bayon etiladi va bu usullar konkret misollarni yechishda tadbiq etiladi.
Bernulli differensial tenglamasini yechimini mavjudligi va yagonaligi haqidagi teoremaning isboti keltiriladi, shuningdek bu tenglamaning maxsus yechimi masalasi ham o`rganiladi.
Bernulli differensial tenglamasiga keltirib yechiladigan tenglamalarning sinflari (Darbu, Yakobi va Rikkate differensial tenglamalari) o`rganiladi va bu hollarga doir konkret misollarni yechish ko`rsatiladi.
Bernulli differensial tenglamasiga keltirib yechiladigan fizikayiy masala (argonning sirpanishi haqida masala ) o`rganiladi va uni yechishi bayon etiladi.
FOYDALANILGAN ADABIYOTLAR:
A.S. Piskunov. Differensial va integral hisob. T. «O’qituvchi», 1974 y ,54
– 100 betlar.
L.E.Elsgolts. Differensialnie uravneniya i variatsionnoe ischislenie. M.
,»Nauka» , 1969 g. ,s . 85 – 124 .
L.S.Pontryagin. Differentsialnie uravneniya i ix prilojeniya. M., Nauka , 1965 g., s.41 – 66 .
M.S. Salohitdinov, O’.N. Nasritdinov. Oddiy differensial tenglamalar. T.
«Uzbekiston» , 1994 y., 103 – 155 betlar .
V.P. Minorskiy. Oliy matematikadan masalalar to’plami. T. «O’qituvchi», 1977, 234-240 betlar.
6. www.ziyonet.uz
Do'stlaringiz bilan baham: |