Рассмотрен метод решения дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными. Дан пример подробного решения дифференциального уравнения с разделяющимися переменными.

Содержание

Определение

Пусть s(x) , q(x) - функции от переменной x ;
p(y) , r(y) - функции от переменной y .

Дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными - это уравнение вида

Метод решения дифференциального уравнения с разделяющимися переменными

Рассмотрим уравнение:
(i) .
Выразим производную y′ через дифференциалы.
;
.
Умножим на dx .
(ii)
Разделим уравнение на s(x) r(y) . Это можно сделать, если s(x) r(y) ≠ 0 . При s(x) r(y) ≠ 0 имеем
.
Интегрируя, получаем общий интеграл в квадратурах
(iii) .

Поскольку мы делили на s(x) r(y) , то получили интеграл уравнения при s(x) ≠ 0 и r(y) ≠ 0 . Далее нужно решить уравнение
r(y) = 0 .
Если это уравнение имеют корни, то они также являются решениями уравнения (i). Пусть уравнение r(y) = 0 . имеет n корней a i , r(a i ) = 0 , i = 1, 2, ... , n . Тогда постоянные y = a i являются решениями уравнения (i). Часть этих решений может уже содержаться в общем интеграле (iii).

Заметим, что если исходное уравнение задано в форме (ii), то следует также решить уравнение
s(x) = 0 .
Его корни b j , s(b j ) = 0 , j = 1, 2, ... , m . дают решения x = b j .

Пример решения дифференциального уравнения с разделяющимися переменными

Решить уравнение

Выразим производную через дифференциалы:


Умножим на dx и разделим на . При y ≠ 0 имеем:

Интегрируем.

Вычисляем интегралы, применяя формулу .



Подставляя, получаем общий интеграл уравнения
.

Теперь рассмотрим случай, y = 0 .
Очевидно, что y = 0 является решением исходного уравнения. Оно не входит в общий интеграл .
Поэтому добавим его в окончательный результат.

; y = 0 .

Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.

В целом ряде обыкновенных ДУ 1 -го порядка существуют такие, в которых переменные х и у можно разнести в правую и левую части записи уравнения. Переменные могут быть уже разделены, как это можно видеть в уравнении f (y) d y = g (x) d x . Разделить переменные в ОДУ f 1 (y) · g 1 (x) d y = f 2 (y) · g 2 (x) d x можно путем проведения преобразований. Чаще всего для получения уравнений с разделяющимися переменными применяется метод введения новых переменных.

В этой теме мы подробно разберем метод решения уравнений с разделенными переменными. Рассмотрим уравнения с разделяющимися переменными и ДУ, которые можно свести к уравнениям с разделяющимися переменными. В разделе мы разобрали большое количество задач по теме с подробным разбором решения.

Для того, чтобы облегчить себе усвоение темы, рекомендуем ознакомиться с информацией, которая размещена на странице «Основные определения и понятия теории дифференциальных уравнений».

Дифференциальные уравнения с разделенными переменными f (y) d y = g (x) d x

Определение 1

Уравнениями с разделенными переменными называют ДУ вида f (y) d y = g (x) d x . Как следует из названия, переменные, входящие в состав выражения, находятся по обе стороны от знака равенства.

Договоримся, что функции f (y) и g (x) мы будем считать непрерывными.

Для уравнений с разделенными переменными общий интеграл будет иметь вид ∫ f (y) d y = ∫ g (x) d x . Общее решение ДУ в виде неявно заданной функции Ф (x , y) = 0 мы можем получить при условии, что интегралы из приведенного равенства выражаются в элементарных функциях. В ряде случаев выразить функцию у получается и в явном виде.

Пример 1

Найдите общее решение дифференциального уравнения с разделенными переменными y 2 3 d y = sin x d x .

Решение

Проинтегрируем обе части равенства:

∫ y 2 3 d y = ∫ sin x d x

Это, по сути, и есть общее решение данного ДУ. Фактически, мы свели задачу нахождения общего решения ДУ к задаче нахождения неопределенных интегралов.

Теперь мы можем использовать таблицу первообразных для того, чтобы взять интегралы, которые выражаются в элементарных функциях:

∫ y 2 3 d y = 3 5 y 5 3 + C 1 ∫ sin x d x = - cos x + C 2 ⇒ ∫ y 2 3 d y = ∫ sin x d x ⇔ 3 5 y 3 5 + C 1 = - cos x + C 2
где С 1 и С 2 – произвольные постоянные.

Функция 3 5 y 3 5 + C 1 = - cos x + C 2 задана неявно. Она является общим решением исходного дифференциального уравнения с разделенными переменными. Мы получили ответ и можем не продолжать решение. Однако в рассматриваемом примере искомую функцию можно выразить через аргумент х явно.

Получаем:

3 5 y 5 3 + C 1 ⇒ y = - 5 3 cos x + C 3 5 , где C = 5 3 (C 2 - C 1)

Общим решением данного ДУ является функция y = - 5 3 cos x + C 3 5

Ответ:

Мы можем записать ответ несколькими способами: ∫ y 2 3 d y = ∫ sin x d x или 3 5 y 5 3 + C 1 = - cos x + C 2 , или y = - 5 3 cos x + C 3 5

Всегда стоит давать понять преподавателю, что вы наряду с навыками решения дифференциальных уравнений также располагаете умением преобразовывать выражения и брать интегралы. Сделать это просто. Достаточно дать окончательный ответ в виде явной функции или неявно заданной функции Ф (x , y) = 0 .

Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными f 1 (y) · g 1 (x) d y = f 2 (y) · g 2 (x) d x

y " = d y d x в тех случаях, когда у является функцией аргумента х.

В ДУ f 1 (y) · g 1 (x) d y = f 2 (y) · g 2 (x) d x или f 1 (y) · g 1 (x) · y " = f 2 (y) · g 2 (x) d x мы можем провести преобразования таким образом, чтобы разделить переменные. Этот вид ДУ носит название ДУ с разделяющимися переменными. Запись соответствующего ДУ с разделенными переменными будет иметь вид f 1 (y) f 2 (y) d y = g 2 (x) g 1 (x) d x .

Разделяя переменные, необходимо проводить все преобразования внимательно для того, чтобы избежать ошибок. Полученное и исходное уравнения должны быть эквивалентны друг другу. В качестве проверки можно использовать условие, по которому f 2 (y) и g 1 (x) не должны обращаться в ноль на интервале интегрирования. Если это условие не выполняется, то есть вероятность, что ы потеряем часть решений.

Пример 2

Найти все решения дифференциального уравнения y " = y · (x 2 + e x) .

Решение

Мы можем разделить х и у, следовательно, мы имеем дело с ДУ с разделяющимися переменными.

y " = y · (x 2 + e x) ⇔ d y d x = y · (x 2 + e x) ⇔ d y y = (x 2 + e x) d x п р и y ≠ 0

При у = 0 исходное уравнение обращается в тождество: 0 " = 0 · (x 2 + e x) ⇔ 0 ≡ 0 . Это позволят нам утверждать, что у = 0 является решением ДУ. Это решение мы могли не учесть при проведении преобразований.

Выполним интегрирование ДУ с разделенными переменными d y y = (x 2 + e x) d x:
∫ d y y = ∫ (x 2 + e x) d x ∫ d y y = ln y + C 1 ∫ (x 2 + e x) d x = x 3 3 + e x + C 2 ⇒ ln y + C 1 = x 3 3 + e x + C 2 ⇒ ln y = x 3 3 + e x + C

Проводя преобразование, мы выполнили замену C 2 - C 1 на С . Решение ДУ имеет вид неявно заданной функции ln y = x 3 3 + e x + C . Эту функцию мы в состоянии выразить явно. Для этого проведем потенцирование полученного равенства:

ln y = x 3 3 + e x + C ⇔ e ln y = e x 3 3 + e x + C ⇔ y = e x 3 3 + e x + C

Ответ: y = e x 3 3 + e x + C , y = 0

Дифференциальные уравнения, сводящиеся к уравнениям с разделяющимися переменными y " = f (a x + b y) , a ≠ 0 , b ≠ 0

Для того, чтобы привести обыкновенное ДУ 1 -го порядка y " = f (a x + b y) , a ≠ 0 , b ≠ 0 , к уравнению с разделяющимися переменными, необходимо ввести новую переменную z = a x + b y , где z представляет собой функцию аргумента x .

Получаем:

z = a x + b y ⇔ y = 1 b (z - a x) ⇒ y " = 1 b (z " - a) f (a x + b y) = f (z)

Проводим подстановку и необходимые преобразования:

y " = f (a x + b y) ⇔ 1 b (z " - a) = f (z) ⇔ z " = b f (z) + a ⇔ d z b f (z) + a = d x , b f (z) + a ≠ 0

Пример 3

Найдите общее решение дифференциального уравнения y " = 1 ln (2 x + y) - 2 и частное решение, удовлетворяющее начальному условию y (0) = e .

Решение

Введем переменную z = 2 x + y , получаем:

y = z - 2 x ⇒ y " = z " - 2 ln (2 x + y) = ln z

Результат, который мы получили, подставляем в исходное выражение, проводим преобразование его в ДУ с разделяющимися переменными:

y " = 1 ln (2 x + y) - 2 ⇔ z " - 2 = 1 ln z - 2 ⇔ d z d x = 1 ln z

Проинтегрируем обе части уравнения после разделения переменных:

d z d z = 1 ln z ⇔ ln z d z = d x ⇔ ∫ ln z d z = ∫ d x

Применим метод интегрирования по частям для нахождения интеграла, расположенного в левой части записи уравнения. Интеграл правой части посмотрим в таблице.

∫ ln z d z = u = ln z , d v = d z d u = d z z , v = z = z · ln z - ∫ z d z z = = z · ln z - z + C 1 = z · (ln z - 1) + C 1 ∫ d x = x + C 2

Мы можем утверждать, что z · (ln z - 1) + C 1 = x + C 2 . Теперь, если мы примем, что C = C 2 - C 1 и проведем обратную замену z = 2 x + y , то получим общее решение дифференциального уравнения в виде неявно заданной функции:

(2 x + y) · (ln (2 x + y) - 1) = x + C

Теперь примемся за нахождение частного решения, которое должно удовлетворять начальному условию y (0) = e . Проведем подстановку x = 0 и y (0) = e в общее решение ДУ и найдем значение константы С.

(2 · 0 + e) · (ln (2 · 0 + e) - 1) = 0 + C e · (ln e - 1) = C C = 0

Получаем частное решение:

(2 x + y) · (ln (2 x + y) - 1) = x

Так как в условии задачи не был задан интервал, на котором необходимо найти общее решение ДУ, то мы ищем такое решение, которое подходит для всех значений аргумента х, при которых исходное ДУ имеет смысл.

В нашем случае ДУ имеет смысл при ln (2 x + y) ≠ 0 , 2 x + y > 0

Дифференциальные уравнения, сводящиеся к уравнениям с разделяющимися переменными y " = f x y или y " = f y x

Мы можем свести ДУ вида y " = f x y или y " = f y x к дифференциальным уравнениям с разделяющимися переменными путем выполнения замены z = x y или z = y x , где z – функция аргумента x .

Если z = x y , то y = x z и по правилу дифференцирования дроби:

y " = x y " = x " · z - x · z " z 2 = z - x · z " z 2

В этом случае уравнения примут вид z - x · z " z 2 = f (z) или z - x · z " z 2 = f 1 z

Если принять z = y x , то y = x ⋅ z и по правилу производной произведения y " = (x z) " = x " z + x z " = z + x z " . В этом случае уравнения сведутся к z + x z " = f 1 z или z + x z " = f (z) .

Пример 4

Решите дифференциальное уравнение y " = 1 e y x - y x + y x

Решение

Примем z = y x , тогда y = x z ⇒ y " = z + x z " . Подставим в исходное уравнение:

y " = 1 e y x - y x + y x ⇔ z + x z " = 1 e z - z + z ⇔ x · d z d x = 1 e z - z ⇔ (e z - z) d z = d x x

Проведем интегрирование уравнения с разделенными переменными, которое мы получили при проведении преобразований:

∫ (e z - z) d z = ∫ d x x e z - z 2 2 + C 1 = ln x + C 2 e z - z 2 2 = ln x + C , C = C 2 - C 1

Выполним обратную замену для того, чтобы получить общее решение исходного ДУ в виде функции, заданной неявно:

e y x - 1 2 · y 2 x 2 = ln x + C

А теперь остановимся на ДУ, которые имеют вид:

y " = a 0 y n + a 1 y n - 1 x + a 2 y n - 2 x 2 + . . . + a n x n b 0 y n + b 1 y n - 1 x + b 2 y n - 2 x 2 + . . . + b n x n

Разделив числитель и знаменатель дроби, расположенной в правой части записи, на y n или x n , мы можем привести исходное ДУ в виду y " = f x y или y " = f y x

Пример 5

Найти общее решение дифференциального уравнения y " = y 2 - x 2 2 x y

Решение

В этом уравнении х и у отличны от 0 . Это позволяет нам разделить числитель и знаменатель дроби, расположенной в правой части записи на x 2 :

y " = y 2 - x 2 2 x y ⇒ y " = y 2 x 2 - 1 2 y x

Если мы введем новую переменную z = y x , то получим y = x z ⇒ y " = z + x z " .

Теперь нам необходимо осуществить подстановку в исходное уравнение:

y " = y 2 x 2 - 1 2 y x ⇔ z " x + z = z 2 - 1 2 z ⇔ z " x = z 2 - 1 2 z - z ⇔ z " x = z 2 - 1 - 2 z 2 2 z ⇔ d z d x x = - z 2 + 1 2 z ⇔ 2 z d z z 2 + 1 = - d x x

Так мы пришли к ДУ с разделенными переменными. Найдем его решение:

∫ 2 z d z z 2 + 1 = - ∫ d x x ∫ 2 z d z z 2 + 1 = ∫ d (z 2 + 1) z 2 + 1 = ln z 2 + 1 + C 1 - ∫ d x x = - ln x + C 2 ⇒ ln z 2 + 1 + C 1 = - ln x + C 2

Для этого уравнения мы можем получить решение в явном виде. Для этого примем - ln C = C 2 - C 1 и применим свойства логарифма:

ln z 2 + 1 = - ln x + C 2 - C 1 ⇔ ln z 2 + 1 = - ln x - ln C ⇔ ln z 2 + 1 = - ln C x ⇔ ln z 2 + 1 = ln C x - 1 ⇔ e ln z 2 + 1 = e ln 1 C x ⇔ z 2 + 1 = 1 C x ⇔ z ± 1 C x - 1

Теперь выполним обратную замену y = x ⋅ z и запишем общее решение исходного ДУ:

y = ± x · 1 C x - 1

В даном случае правильным будет и второй вариант решения. Мы можем использовать замену z = x y Рассмотрим этот вариант более подробно.

Выполним деление числителя и знаменателя дроби, расположенной в правой части записи уравнения на y 2 :

y " = y 2 - x 2 2 x y ⇔ y " = 1 - x 2 y 2 2 x y

Пусть z = x y

Тогда y " = 1 - x 2 y 2 2 x y ⇔ z - z " x z 2 = 1 - z 2 2 z

Проведем подстановку в исходное уравнение для того, чтобы получить ДУ с разделяющимися переменными:

y " = 1 - x 2 y 2 2 x y ⇔ z - z " x z 2 = 1 - z 2 2 z

Разделив переменные, мы получаем равенство d z z (z 2 + 1) = d x 2 x , которое можем проинтегрировать:

∫ d z z (z 2 + 1) = ∫ d x 2 x

Если мы разложим подынтегральную функцию интеграла ∫ d z z (z 2 + 1) на простейшие дроби, то получим:

∫ 1 z - z z 2 + 1 d z

Выполним интегрирование простейших дробей:

∫ 1 z - z z 2 + 1 d z = ∫ z d z z 2 + 1 = ∫ d t z - 1 2 ∫ d (z 2 + 1) z 2 + 1 = = ln z - 1 2 ln z 2 + 1 + C 1 = ln z z 2 + 1 + C 1

Теперь найдем интеграл ∫ d x 2 x:

∫ d x 2 x = 1 2 ln x + C 2 = ln x + C 2

В итоге получаем ln z z 2 + 1 + C 1 = ln x + C 2 или ln z z 2 + 1 = ln C · x , где ln C = C 2 - C 1 .

Выполним обратную замену z = x y и необходимые преобразования, получим:

y = ± x · 1 C x - 1

Вариант решения, при котором мы выполняли замену z = x y , оказался более трудоемким, чем в случае замены z = y x . Этот вывод будет справедлив для большого количества уравнений вида y " = f x y или y " = f y x . Если выбранный вариант решения подобных уравнений оказывается трудоемким, можно вместо замены z = x y ввести переменную z = y x . На результат это никак не повлияет.

Дифференциальные уравнения, сводящиеся к уравнениям с разделяющимися переменными y " = f a 1 x + b 1 y + c 1 a 2 x + b 2 y + c 2 , a 1 , b 1 , c 1 , a 2 , b 2 , c 2 ∈ R

Дифференциальные уравнения y " = f a 1 x + b 1 y + c 1 a 2 x + b 2 y + c 2 можно свести к уравнениям y " = f x y или y " = f y x , следовательно, к уравнениям с разделяющимися переменными. Для этого находится (x 0 , y 0) - решение системы двух линейных однородных уравнений a 1 x + b 1 y + c 1 = 0 a 2 x + b 2 y + c 2 = 0 и вводятся новые переменные u = x - x 0 v = y - y 0 . После такой замены уравнение примет вид d v d u = a 1 u + b 1 v a 2 u + b 2 v .

Пример 6

Найти общее решение дифференциального уравнения y " = x + 2 y - 3 x - 1 .

Решение

Составляем и решаем систему линейных уравнений:

x + 2 y - 3 = 0 x - 1 = 0 ⇔ x = 1 y = 1

Делаем замену переменных:

u = x - 1 v = y - 1 ⇔ x = u + 1 y = v + 1 ⇒ d x = d u d y = d v

После подстановки в исходное уравнение получаем d y d x = x + 2 y - 3 x - 1 ⇔ d v d u = u + 2 v u . После деления на u числителя и знаменателя правой части имеем d v d u = 1 + 2 v u .

Вводим новую переменную z = v u ⇒ v = z · y ⇒ d v d u = d z d u · u + z , тогда

d v d u = 1 + 2 v u ⇔ d z d u · u + z = 1 + 2 z ⇔ d z 1 + z = d u u ⇒ ∫ d z 1 + z = ∫ d u u ⇔ ln 1 + z + C 1 = ln u + C 2 ⇒ ln 1 + z = ln u + ln C , ln C = C 2 - C 1 ln 1 + z = ln C · u 1 + z = C · u ⇔ z = C · u - 1 ⇔ v u = C · u - 1 ⇔ v = u · (C · u - 1)

Возвращаемся к исходным переменным, производя обратную замену u = x - 1 v = y - 1:
v = u · (C · u - 1) ⇔ y - 1 = (x - 1) · (C · (x - 1) - 1) ⇔ y = C x 2 - (2 C + 1) · x + C + 2

Это есть общее решение дифференциального уравнения.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Дифференциальное уравнение с разделенными переменными записывается в виде: (1). В этом уравнении одно слагаемое зависит только от x, а другое – от y. Проинтегрировав почленно это уравнение, получаем:
– его общий интеграл.

Пример : найти общий интеграл уравнения:
.

Решение: данное уравнение – дифференциальное уравнение с разделенными переменными. Поэтому
или
Обозначим
. Тогда
– общий интеграл дифференциального уравнения.

Уравнение с разделяющимися переменными имеет вид (2). Уравнение (2)легко сводиться к уравнению (1) путем почленного деления его на
. Получаем:

– общий интеграл.

Пример: Решить уравнение .

Решение: преобразуем левую часть уравнения: . Делим обе части уравнения на


Решением является выражение:
т.е.

Однородные дифференциальные уравнения. Уравнения Бернулли. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка.

Уравнение вида называетсяоднородным , если
и
– однородные функции одного порядка (измерения). Функция
называется однородной функцией первого порядка (измерения), если при умножении каждого ее аргумента на произвольный множительвся функция умножиться на, т.е.
=
.

Однородное уравнение может быть приведено к виду
. С помощью подстановки
(
)однородное уравнение приводится к уравнению с разделяющимися переменными по отношению к новой функции.

Дифференциальное уравнение первого порядка называется линейным , если его можно записать в виде
.

Метод Бернулли

Решение уравнения
ищется в виде произведения двух других функций, т.е. с помощью подстановки
(
).

Пример: проинтегрировать уравнение
.

Полагаем
. Тогда , т.е. . Сначала решаем уравнение
=0:


.

Теперь решаем уравнение
т.е.


. Итак, общее решение данного уравнения есть
т.е.

Уравнение Я. Бернулли

Уравнение вида , где
называетсяуравнением Бернулли. Данное уравнение решается с помощью метода Бернулли.

Однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

Однородным линейным дифференциальным уравнением второго порядка называется уравнение вида (1) , гдеипостоянны.

Частные решения уравнения (1) будем искать в виде
, гдек – некоторое число. Дифференцируя эту функцию два раза и подставляя выражения для
в уравнение (1), получимт.е.или
(2) (
).

Уравнение 2 называется характеристическим уравнением дифференциального уравнения.

При решении характеристического уравнения (2) возможны три случая.

Случай 1. Корнииуравнения (2) действительные и различные:

и

.

Случай 2. Корнииуравнения (2) действительные и равные:
. В этом случае частными решениями уравнения (1) являются функции
и
. Следовательно, общее решение уравнения (1) имеет вид
.

Случай 3. Корнииуравнения (2) комплексные:
,
. В этом случае частными решениями уравнения (1) являются функции
и
. Следовательно, общее решение уравнения (1) имеет вид

Пример. Решить уравнение
.

Решение: составим характеристическое уравнение:
. Тогда
. Общее решение данного уравнения
.

Экстремум функции нескольких переменных. Условный экстремум.

Экстремум функции нескольких переменных

Определение. Точка М (х о ,у о ) называется точкой максимума (минимума) функции z = f (x , у), если существует окрестность точки М, такая, что для всех точек {х, у) из этой окрестности выполня­ется неравенство
(
)

На рис. 1 точка А
- есть точка минимума, а точка В
- точка максимума.

Необходи­мое условие экстремума - многомерный аналог теоре­мы Ферма.

Теорема. Пусть точка
– есть точка экстре­мума дифференцируемой функ­ции z = f (x , у). Тогда частные производные
и
в этой точке равны нулю.

Точки, в которых выполнены необходимые условия экстрему­ма функции z = f (x , у), т.е. частные производные z " x и z " y равны нулю, называются критическими или стационарными.

Равенство частных производных нулю выражает лишь необходи­мое, но недостаточное условие экстремума функции нескольких переменных.

На рис. изображена так называемая седловая точка М (х о ,у о ). Частные производные
и
равны ну­лю, но, очевидно, никакого экс­тремума в точке М(х о ,у о ) нет.

Такие седловые точки явля­ются двумерными аналогами точек перегиба функций одной переменной. Задача заключается в том, чтобы отделить их от то­чек экстремума. Иными слова­ми, требуется знать достаточное условие экстремума.

Теорема (достаточное условие экстремума функции двух пере­менных). Пусть функция z = f (x , у): а) определена в некоторой окре­стности критической точки (х о ,у о ), в которой
=0 и
=0 ;

б) имеет в этой точке непрерывные частные производные вто­рого порядка
;

;
Тогда, если ∆=АС- В 2 >0, то в точке (х о ,у о ) функ­ция z = f (x , у) имеет экстремум, причем если А<0 - максимум, если А>0 - минимум. В случае ∆=АС- В 2 <0, функция z = f (x , у) экстре­мума не имеет. Если ∆=АС- В 2 =0, то вопрос о наличии экстрему­ма остается открытым.

Исследование функции двух переменных на экстремум реко­мендуется проводить по следующей схеме:

Найти частные производные функции z " x и z " y .

Решить систему уравнений z " x =0, z " y =0 и найти критические точки функции.

Найти частные производные второго порядка, вычислить их значения в каждой критической точке и с помощью достаточ­ного условия сделать вывод о наличии экстремумов.

Найти экстремумы (экстремальные значения) функции.

Пример. Найти экстремумы функции

Решение. 1. Находим частные производные

2. Критические точки функции находим из системы уравнений:

имеющей четыре решения (1; 1), (1; -1), (-1; 1) и (-1; -1).

3. Находим частные производные второго порядка:

;
;
, вычисляем их значения в каждой критической точке и проверяем в ней выпол­нение достаточного условия экстремума.

Например, в точке (1; 1) A = z "(1; 1)= -1; В=0; С= -1. Так как ∆ = АС- В 2 = (-1) 2 -0=1 >0 и А=-1<0, то точка (1; 1) есть точка максимума.

Аналогично устанавливаем, что (-1; -1) - точка минимума, а в точках (1; -1) и (-1; 1), в которых ∆ =АС- В 2 <0, - экстремума нет. Эти точки являются седловыми.

4. Находим экстремумы функции z max = z(l; 1) = 2, z min = z(-l; -1) = -2,

Условный экстремум. Метод множителей Лагранжа.

Рассмотрим задачу, специфическую для функций нескольких переменных, когда ее экстремум ищется не на всей области опреде­ления, а на множестве, удовлетворяющем некоторому условию.

Пусть рассматривается функция z = f (x , y ), аргументы х и у которой удовлетворяют условию g (х,у) = С, называемому уравне­нием связи.

Определение. Точка
называется точкой условного мак­симума (минимума), если существует такая окрестность этой точки, что для всех точек (х,у) из этой окрестности удовлетворя­ющих условию g (x , y ) = С, выполняется неравенство

(
).

На рис. изображена точка условного максимума
. Очевидно, что она не является точкой безусловного экстремума функции z = f (x , y ) (на рис. это точка
).

Наиболее простым способом нахождения условного экстре­мума функции двух переменных является сведение задачи к оты­сканию экстремума функции одной переменной. Допустим уравнение связи g (x , y ) = С удалось разрешить относи­тельно одной из перемен­ных, например, выразить у через х:
. Подста­вив полученное выражение в функцию двух перемен­ных, получим z = f (x , y ) =
, т.е. функцию одной переменной. Ее экстремум и будет услов­ным экстремумом функ­ции z = f (x , y ).

Пример. х 2 + y 2 при условии 3х +2у = 11.

Решение. Выразим из уравнения 3х +2у = 11 переменную y через переменную x и подставим полученное
в функциюz. Получим z = x 2 +2
илиz =
. Эта функция имеет единственный минимум при = 3. Соответствующее значение функции
Таким образом, (3; 1) - точка условного экстремума (минимума).

В рассмотренном примере уравнение связи g (x , у) = С оказа­лось линейным, поэтому его легко удалось разрешить относи­тельно одной из переменных. Однако в более сложных случаях сделать это не удается.

Для отыскания условного экстремума в общем случае исполь­зуется метод множителей Лагранжа.

Рассмотрим функцию трех переменных

Эта функция называется функцией Лагранжа, а - множите­лем Лагранжа. Верна следующая теорема.

Теорема. Если точка
является точкой условного экс­тремума функции z = f (x , y ) при условии g (x , y ) = С, то существует значение такое, что точка
является точкой экстре­мума функции L { x , y , ).

Таким образом, для нахождения условного экстремума функ­ции z = f (х,у) при условии g (x , y ) = С требуется найти решение системы

На рис. показан геометрический смысл условий Ла­гранжа. Линия g (х,у) = С пунктирная, линия уровня g (x , y ) = Q функции z = f (x , y ) сплошные.

Из рис. следует, что в точке условного экстремума линия уровня функции z = f (x , y ) касает­ся линии g (x , y ) = С.

Пример. Найти точки максимума и мини­мума функции z = х 2 + y 2 при условии 3х +2у = 11, ис­пользуя метод множителей Ла­гранжа.

Решение. Составляем функцию Лагранжа L = х 2 + 2у 2 +

Приравнивая к нулю ее частные производные, получим систему уравнений

Ее единственное решение (х=3, у=1, =-2). Таким образом, точкой условного экстремума может быть только точка (3;1). Не­трудно убедиться в том, что в этой точке функция z = f (x , y ) имеет условный минимум.

Рассмотрим примеры решения дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными.

1) Проинтегрировать дифференциальное уравнение: (1+x²)dy-2xydx=0.

Данное уравнение является уравнением с разделяющимися переменными, записанное в виде

Оставляем слагаемое с dy в левой части уравнения, с dx — переносим в правую часть:

(1+x²)dy = 2xydx

Разделяем переменные, то есть в левой части оставляем только dy и все, что содержит y, в правой dx и x. Для этого обе части уравнения делим на (1+x²) и на y. Получаем

Интегрируем обе части уравнения:

В левой части — табличный интеграл. Интеграл в правой части можно найти, например, сделав замену t=1+x², тогда

dt=(1+x²)’dx=2xdx.

В примерах, где есть возможность провести потенцирование, то есть убрать логарифмы, удобно брать не С, а lnC. Именно так мы и сделаем: ln│y│=ln│t│+ln│C│. Так как сумма логарифмов равна логарифму произведения, то ln│y│=ln│Сt│, откуда y=Ct. Делаем обратную замену,и получаем общее решение: y=C(1+x²).

Мы делили на 1+x² и на y при условии, что они не равны нулю. Но 1+x² не равно нулю при любых x. А y=0 при С=0, таким образом, потери корней не произошло.

Ответ: y=C(1+x²).

2) Найти общий интеграл уравнения

Переменные можно разделить.

Умножаем обе части уравнения на dx и делим на

Получаем:

Теперь интегрируем

В левой части — табличный интеграл. Справа — делаем замену 4-x²=t, тогда dt=(4-x²)’dx=-2xdx. Получаем

Если вместо С взять 1/2 ln│C│, можно ответ записать более компактно:

Умножим обе части на 2 и применим свойство логарифма:

Мы делили на

Они не равны нулю: y²+1 — так как сумма неотрицательных чисел не равна нулю, а подкоренное выражение не равно нулю по смыслу условия. Значит, потери корней не произошло.

3) a) Найти общий интеграл уравнения (xy²+y²)dx+(x²-x²y)dy=0.

б) Найти частный интеграл этого уравнения, удовлетворяющий начальному условию y(е)=1.

а) Преобразуем левую часть уравнения: y²(x+1)dx+x²(1-y)dy=0, затем

y²(x+1)dx=-x²(1-y)dy. Делим обе части на x²y² при условии, что ни x, ни y не равны нулю. Получаем:

Интегрируем уравнение:

Так как разность логарифмов равна логарифму частного, имеем:

Это — общий интеграл уравнения. В процессе решения мы ставили условие, что произведение x²y² не равно нулю, откуда следует, что x и y не должны быть равными нулю. Подставив x=0 и y=0 в условие:(0.0²+0²)dx+(0²-0²0)dy=0 получаем верное равенство 0=0. Значит, x=0 и y=0 тоже являются решениями данного уравнения. Но в общий интеграл они не входят ни при каких С (нули не могут стоять под знаком логарифма и в знаменателе дроби), поэтому эти решения следует записать дополнительно к общему интегралу.

б) Так как y(е)=1, подставляем в полученное решение x=e, y=1 и находим С:

Примеры для самопроверки:

Рассмотрен способ решения дифференциальных уравнений, приводящихся к уравнениям с разделяющимися переменными. Дан пример подробного решения дифференциального уравнения, приводящегося к уравнению с разделяющимися переменными.

Содержание

Постановка задачи

Рассмотрим дифференциальное уравнение
(i) ,
где f - функция, a, b, c - постоянные, b ≠ 0 .
Это уравнение приводится к уравнению с разделяющимися переменными.

Метод решения

Делаем подстановку:
u = ax + by + c
Здесь y - функция от переменной x . Поэтому u - тоже функция от переменной x .
Дифференцируем по x
u′ = (ax + by + c)′ = a + by′
Подставляем (i)
u′ = a + by′ = a +b f(ax + by + c) = a + b f(u)
Или:
(ii)
Разделяем переменные. Умножаем на dx и делим на a + b f(u) . Если a + b f(u) ≠ 0 , то

Интегрируя, мы получаем общий интеграл исходного уравнения (i) в квадратурах:
(iii) .

В заключении рассмотрим случай
(iv) a + b f(u) = 0 .
Предположим, что это уравнение имеет n корней u = r i , a + b f(r i ) = 0 , i = 1, 2, ... n . Поскольку функция u = r i является постоянной, то ее производная по x равна нулю. Поэтому u = r i является решением уравнения (ii) .
Однако, уравнение (ii) не совпадает с исходным уравнением (i) и, возможно, не все решения u = r i , выраженные через переменные x и y , удовлетворяют исходному уравнению (i) .

Таким образом, решением исходного уравнения является общий интеграл (iii) и некоторые корни уравнения (iv) .

Пример решения дифференциального уравнения, приводящегося к уравнению с разделяющимися переменными

Решить уравнение
(1)

Делаем подстановку:
u = x - y
Дифференцируем по x и выполняем преобразования:
;

Умножаем на dx и делим на u 2 .

Если u ≠ 0 , то получаем:

Интегрируем:

Применяем формулу из таблицы интегралов :

Вычисляем интеграл

Тогда
;
, или

Общее решение:
.

Теперь рассмотрим случай u = 0 , или u = x - y = 0 , или
y = x .
Поскольку y′ = (x)′ = 1 , то y = x является решением исходного уравнения (1) .

;
.

Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.