Równania różniczkowe cząstkowe pierwszego...
Transcript of Równania różniczkowe cząstkowe pierwszego...
Rwnania rniczkowe czstkowe pierwszego rzdu
Marcin Orchel
Spis treci1 Wstp 1
1.1 Liniowe rwnania rniczkowe czstkowe pierwszego rzdu . . . . . . . . . 11.2 Nieliniowe rwnania rniczkowe czstkowe pierwszego rzdu . . . . . . . 151.3 Zagadnienia dodatkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Zadania 202.1 Zadania na 3.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2 Zadania na 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3 Zadania na 5.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1 Wstp
1.1 Liniowe rwnania rniczkowe czstkowe pierwszego rzdu
Rwnanie:X1
z
x1+X2
z
x2+ . . .+Xn
z
xn= Y (1)
gdzie funkcja z jest szukan funkcj n zmiennych niezalenych xi, Xi oraz Y s funkcjamitych zmiennych niezalenych nazywamy rwnaniem rniczkowym czstkowym liniowympierwszego rzdu. Jeli funkcje Xi oraz Y zale rwnie od z to rwnanie nazywamyquasi-liniowym. Jeli Y 0 to rwnanie nazywamy jednorodnym.
Przykad:u (x, y)x
= 0 (2)
Z tego wynika, e rozwizanie jest niezalene od x, a zatem rozwizaniem jest dowolnafunkcja zalena od y:
u (x, y) = f (y) (3)
Przykadowe rozwizanie, u(x, y) = 2y2, rozwizanie na wolframalpha.com, http://www.wolframalpha.com/input/?i=d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29++%3D+0, wizualizacja przy-kadowego rozwizania, http://www.wolframalpha.com/input/?i=u%28x%2Cy%29+%3D+2y^2.
1
http://www.wolframalpha.com/input/?i=d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29++%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29++%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=u%28x%2Cy%29+%3D+2y^2http://www.wolframalpha.com/input/?i=u%28x%2Cy%29+%3D+2y^2
Przykad 1.z
x+ zy
= 0 (4)
Rozwizanie:z = (y x) (5)
Rozwizanie to mona sprawdzi zauwaajc, e pochodna funkcji zoonej jest rwna
f (g (x, y))x
= g (x, y)x
f (t)t
(6)
gdzie t = g(x, y). Jeli teraz podstawimy g(x, y) = y x otrzymamy z rwnania wyjcio-wego
f (t)t
+ f (t)t
= 0 (7)
Rozwizanie na wolframalpha.com, http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i= %28d%2Fdx% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %2B+ %28d% 2Fdy% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %3D+ 0 . Na-rysowane rozwizanie na wolframalpha.com, http: // www. wolframalpha. com/ input/?i= y+ -+x+ -+z+ %3D+ 0 .
Rozwizywanie jednorodnych rwna rniczkowych czstkowych linio-wych. Cakowanie tego rwnania polega na cakowaniu odpowiadajcego mu ukaducharakterystycznego:
dx1X1
= dx2X2
= . . . = dxnXn
(8)
Jeli dla dowolnej zmiennej xk zachodzi Xk 6= 0 to ukad przeksztacamy do postaci:
dxjdxk
= XjXk
(9)
gdzie j = 1, 2, . . . , nWprowadzamy zmienn t i otrzymujemy:
dxjdt
= Xj (10)
Kada caka pierwsza ukadu (8) jest rozwizaniem ukadu jednorodnego dla rwnaniawyjciowego i na odwrt.
Jeli mamy n 1 niezalenych caek pierwszych postaci:
i (x1, . . . , xn) = Ci (11)
to:z = (1, . . . , n1) (12)
gdzie jest dowoln funkcj zmiennych i.
2
http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=y+-+x+-+z+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=y+-+x+-+z+%3D+0
Przykad 2.xzu
x+ yz u
y(x2 + y2
) uz
= 0 (13)
Ukad charakterystyczny tego rwnania:
dx
xz= dyyz
= dzx2 + y2 (14)
Moemy z tego ukadu wyodrbni przykadowo dwa nastpujce rwnania
dx
xz= dyyz
(15)
dx
xz= dzx2 + y2 (16)
Z pierwszego rwnania po uproszczeniu z mamy:
y = C1x (17)
Caka pierwsza toC1 =
y
x(18)
Po podstawieniu do drugiego rwnania otrzymujemy:
dx
xz= dz
x2(1 + C21
) (19)Moemy to rwnanie sprowadzi do rwnania o zmiennych rozdzielonych(
1 + C21)xdx = zdz (20)
Po scakowaniu:x2
2 + C21x2
2 = z2
2 + C2 (21)
x2 + C21x2 + z2 = C2 (22)
Po podstawieniu C1 z (18) otrzymujemy
x2 + y2 + z2 = C2 (23)
Cakami pierwszymi ukadu s:y
x= C1 (24)
x2 + y2 + z2 = C2 (25)
Rozwizanie oglne:u =
(y
x, x2 + y2 + z2
)(26)
3
Rozwizanie na wolframalpha.com, http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i= xz%28d% 2Fdx% 28u% 28x% 2Cy% 2Cz% 29% 29% 29+ %2B+ yz% 28d% 2Fdy% 28u% 28x% 2Cy% 2Cz% 29%29% 29+ -+% 28x^2+ %2B+ y^2% 29% 28d% 2Fdz% 28u% 28x% 2Cy% 2Cz% 29% 29% 29+ %3D+ 0 .
Alternatywnie moemy po przeksztaceniu uzyska ukad rwna
dx
xz= dzx2 + y2 (27)
dy
yz= dzx2 + y2 (28)
Ukad ten ma 2 rwnania, zamy, e x i y to zmienne zalene, a z to zmienna niezale-na, otrzymujemy ukad rwna w postaci normalnej (rozwizany wzgldem pochodnych)
dx
dz= xzx2 + y2 (29)
dy
dz= yzx2 + y2 (30)
Dzielimy drugie rwnanie przez pierwsze i otrzymujemy
dy
dx= yx
(31)
Rozwizujemy to rwnanie za pomoc rozdzielania zmiennych i otrzymujemy
y = c1x (32)
Czyli caka pierwsza toc1 =
y
x(33)
Nastpnie podstawiamy y z (32) do pierwszego rwnania (29) i otrzymujemy
dx
dz= xzx2 + c21x2
(34)
Rwnanie to ju rozwizywalimy w poprzedniej wersji (19).Sprawdzenie, moemy podstawi u = y/x i otrzymujemy prawd, sprawdzenie na wol-
framalpha.com http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i= xz% 28d% 2Fdx% 28y% 2Fx%29% 29+ %2B+ yz% 28d% 2Fdy% 28y% 2Fx% 29% 29+ -+% 28x^2+ %2B+ y^2% 29% 28d% 2Fdz% 28y%2Fx% 29% 29+ %3D+ 0 . Moemy podstawi u = x2 + y2 + z2, sprawdzenie na wolframal-pha.com http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i= xz% 28d% 2Fdx% 28x^2+ %2B+ y^2+%2B+ z^2% 29% 29+ %2B+ yz% 28d% 2Fdy% 28x^2+ %2B+ y^2+ %2B+ z^2% 29% 29+ -+% 28x^2+ %2B+y^2% 29% 28d% 2Fdz% 28x^2+ %2B+ y^2+ %2B+ z^2% 29% 29+ %3D+ 0 .
Przykad 3.2xux
+ yuy
= 0 (35)
4
http://www.wolframalpha.com/input/?i=xz%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+yz%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+-+%28x^2+%2B+y^2%29%28d%2Fdz%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=xz%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+yz%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+-+%28x^2+%2B+y^2%29%28d%2Fdz%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=xz%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+yz%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+-+%28x^2+%2B+y^2%29%28d%2Fdz%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=xz%28d%2Fdx%28y%2Fx%29%29+%2B+yz%28d%2Fdy%28y%2Fx%29%29+-+%28x^2+%2B+y^2%29%28d%2Fdz%28y%2Fx%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=xz%28d%2Fdx%28y%2Fx%29%29+%2B+yz%28d%2Fdy%28y%2Fx%29%29+-+%28x^2+%2B+y^2%29%28d%2Fdz%28y%2Fx%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=xz%28d%2Fdx%28y%2Fx%29%29+%2B+yz%28d%2Fdy%28y%2Fx%29%29+-+%28x^2+%2B+y^2%29%28d%2Fdz%28y%2Fx%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=xz%28d%2Fdx%28x^2+%2B+y^2+%2B+z^2%29%29+%2B+yz%28d%2Fdy%28x^2+%2B+y^2+%2B+z^2%29%29+-+%28x^2+%2B+y^2%29%28d%2Fdz%28x^2+%2B+y^2+%2B+z^2%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=xz%28d%2Fdx%28x^2+%2B+y^2+%2B+z^2%29%29+%2B+yz%28d%2Fdy%28x^2+%2B+y^2+%2B+z^2%29%29+-+%28x^2+%2B+y^2%29%28d%2Fdz%28x^2+%2B+y^2+%2B+z^2%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=xz%28d%2Fdx%28x^2+%2B+y^2+%2B+z^2%29%29+%2B+yz%28d%2Fdy%28x^2+%2B+y^2+%2B+z^2%29%29+-+%28x^2+%2B+y^2%29%28d%2Fdz%28x^2+%2B+y^2+%2B+z^2%29%29+%3D+0
Ukad charakterystycznydx
2x =dy
y(36)
Jest to rwnanie o zmiennych rozdzielonych, rozwizanie
c1 =yx
(37)
Rozwizanie rwnaniau =
(yx
)(38)
Rozwizanie na wolframalpha.com http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i= 2x%28d% 2Fdx% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %2B+ y% 28d% 2Fdy% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ +%3D+ 0 .
Przy rozwizywaniu ukadw moemy rwnie skorzysta z wasnoci proporcji, jelia1b1
= a2b2
= a3b3
= t (39)
to dla dowolnych rzeczywistych k1, k2, k3 speniajcych warunek
k1b1 + k2b2 + k3b3 6= 0 (40)
zachodzi rwnok1a1 + k2a2 + k3a3k1b1 + k2b2 + k3b3
= t (41)
Moemy rwnie sprobowa zapisa ukad rwna w postaci
dx = f1 (x, y, z) t (42)
dy = f2 (x, y, z) t (43)
dz = f3 (x, y, z) t (44)
i sprbowa doda stronami wszystkie rwnania. Jeli otrzymamy
f1 (x) dx+ f2 (y) dy + f3 (z) dz = 0 (45)
to moemy skorzysta ze wzoru
df = fxdx+ f
ydy + f
zdz (46)
i zaproponowa funkcj f(x, y, z) jako
f (x, y, z) =f1 (x) dx+
f2 (y) dy +
f3 (z) dz (47)
5
http://www.wolframalpha.com/input/?i=2x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29++%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=2x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29++%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=2x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29++%3D+0
Rozwizywanie niejednorodnych liniowych i quasi-liniowych rwna r-niczkowych czstkowych. Poszukujemy rozwizania w postaci uwikanej:
V (x1, . . . , xn, u) = 0 (48)
Funkcja V jest rozwizaniem poniszego rwnania jednorodnego z n + 1 zmiennyminiezalenymi:
X1V
x1+X2
V
x2+ . . .+Xn
V
xn+ Y V
u= 0 (49)
dla ktrego ukad charakterystyczny jest nastpujcy:
dx1X1
= dx2X2
= . . . = dxnXn
= duY
(50)
Przykad 4.xuu
x+ yuu
y= x2 + y2 + u2 (51)
Ukad charakterystyczny:dx
xu= dyyu
= dux2 + y2 + u2 (52)
dx
xu= dyyu
(53)
dx
xu= dux2 + y2 + u2 (54)
Z pierwszego rwnania otrzymujemy:
y = C1x (55)
A wic caka pierwsza toC1 =
y
x(56)
Po podstawieniu do drugiego:
dx
xu= dux2(1 + C21
)+ u2
(57)
Po przeksztaceniu otrzymujemy rwnanie rniczkowe zwyczajne jednorodne:
du
dx= xu
(1 + C21
)+ ux
(58)
Wprowadzamy zmienn pomocniczz = u
x(59)
Po pomnoeniu przez x (59) i zrniczkowaniu mamy
du
dx= z + xdz
dx(60)
6
Po podstawieniu do (58):xdz
dx= 1z
(1 + C21
)(61)
Po scakowaniu (1 + C21
)ln |x| = 12z
2 + C3 (62)
2(
1 + y2
x2
)ln |x| = u
2
x2+ 2C3 (63)
u2
x2 2
(1 + y
2
x2
)ln |x| = C4 (64)
Rozwizanie oglne rwnania jednorodnego ma posta:
V = (y
x,u2
x2 2
(1 + y
2
x2
)ln |x|
)(65)
A zatem zgodnie z (48) rozwizanie rwnania wyjciowego ma posta uwikan
(y
x,u2
x2 2
(1 + y
2
x2
)ln |x|
)= 0 (66)
Rozwizanie na wolframalpha.com, http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i=xu% 28d% 2Fdx% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %2B+ yu% 28d% 2Fdy% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29%29+ %3D+ x^2+ %2B+ y^2+ %2B+ u^2 .
Przykad 5.xu
x+ yu
y= x3 y3 + u (67)
Ukad charakterystyczny:dx
x= dy
y= dux3 y3 + u (68)
dx
x= dy
y(69)
dx
x= dux3 y3 + u (70)
Z pierwszego rwnania otrzymujemy:
y = C1x (71)
A wic caka pierwsza toC1 =
y
x(72)
Po podstawieniu do rwnania (70) y z rwnania (71) otrzymujemy
dx
x= dux3(1 C31
)+ u
(73)
7
http://www.wolframalpha.com/input/?i=xu%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+yu%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+x^2+%2B+y^2+%2B+u^2http://www.wolframalpha.com/input/?i=xu%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+yu%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+x^2+%2B+y^2+%2B+u^2http://www.wolframalpha.com/input/?i=xu%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+yu%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+x^2+%2B+y^2+%2B+u^2
Traktujemy to rwnanie jako rwnanie ze zmienn zalen u(x). Jest to rwnanie r-niczkowe zwyczajne liniowe, ktrego rozwizaniem jest
u = C2x12(C31 1
)x3 (74)
Rozwizanie na wolframalpha http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i= dx% 2Fx+%3D+ dy% 2F% 28x^3% 281-C^3% 29+ %2B+ y% 29 . A wic caka pierwsza to
C2 =u
x+ 12
(y3
x3 1
)x2 (75)
Rozwizanie oglne rwnania jednorodnego ma posta:
V = (y
x,u
x+ 12
(y3
x3 1
)x2)
(76)
A zatem zgodnie z (48) rozwizanie rwnania wyjciowego ma posta uwikan
(y
x,u
x+ 12
(y3
x3 1
)x2)
= 0 (77)
Rozwizanie to moemy przeksztaci do postaci jawnej, zakadajc, e istnieje funk-cja odwrotna do drugiego argumentu i otrzymujemy
u
x+ 12
(y3
x3 1
)x2 =
(y
x
)(78)
u = x(y
x
) 12
(y3
x3 1
)x3 (79)
u = x(y
x
) 12
(y3 x3
)(80)
Rozwizanie na wolframalpha.com, http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i= x% 28d%2Fdx% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %2B+ y% 28d% 2Fdy% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %3D+ x^3+ -+y^3+ %2B+ u .
Przykad 6.uu
x+ uu
y= x+ y (81)
Rozwizujemy najpierw odpowiadajce mu rwnanie jednorodne
uV
x+ uV
y+ (x+ y) V
u= 0 (82)
Rozwizanie na wolframalpha.com http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i= %28u%29% 28d% 2Fdx% 28V% 28x% 2Cy% 2Cu% 29% 29% 29+ %2B+ %28u% 29% 28d% 2Fdy% 28V% 28x% 2Cy%
8
http://www.wolframalpha.com/input/?i=dx%2Fx+%3D+dy%2F%28x^3%281-C^3%29+%2B+y%29http://www.wolframalpha.com/input/?i=dx%2Fx+%3D+dy%2F%28x^3%281-C^3%29+%2B+y%29http://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+x^3+-+y^3+%2B+uhttp://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+x^3+-+y^3+%2B+uhttp://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+x^3+-+y^3+%2B+uhttp://www.wolframalpha.com/input/?i=%28u%29%28d%2Fdx%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28u%29%28d%2Fdy%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28x%2By%29%28d%2Fdu%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28u%29%28d%2Fdx%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28u%29%28d%2Fdy%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28x%2By%29%28d%2Fdu%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28u%29%28d%2Fdx%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28u%29%28d%2Fdy%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28x%2By%29%28d%2Fdu%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%3D+0
2Cu% 29% 29% 29+ %2B+ %28x% 2By% 29% 28d% 2Fdu% 28V% 28x% 2Cy% 2Cu% 29% 29% 29+ %3D+0 . Rozwizanie
V (x, y, u) = (y x, 12
(u2 2xy
))(83)
Rozwizanie rwnania wyjciowego to
(y x, 12
(u2 2xy
))= 0 (84)
Rozwizanie to moemy przeksztaci do postaci jawnej, zakadajc, e istnieje funkcjaodwrotna do drugiego argumentu i otrzymujemy
12(u2 2xy
)= (y x) (85)
u =
2 (y x) + 2xy (86)
Rozwizanie na wolframalpha.com http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i= %28u%29% 28d% 2Fdx% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %2B+ %28u% 29% 28d% 2Fdy% 28u% 28x% 2Cy% 29%29% 29+ %3D+ x+ %2B+ y .
Przedstawienie graficzne. Dla dwch zmiennych niezalenych x1 = x i x2 = yrozwizanie rwnania:
P (x, y, z) zx
+Q (x, y, z) zy
= R (x, y, z) (87)
postaci z = f (x, y) jest pewn powierzchni w przestrzeni, ktr nazywamy powierzch-ni cakow danego rwnania. Wektor normalny do tej powierzchni wynosi:(
z
x,z
y,1
)(88)
Wektor normalny jest prostopady do wektora (P,Q,R). Ukad charakterystyczny tegorwnania jest nastpujcy:
dx
P (x, y, z) =dy
Q (x, y, z) =dz
R (x, y, z) (89)
Z powyszego wynika, e krzywe cakowe tego ukadu rwna nazywane rwnie jegocharakterystykami s styczne do wektora (P,Q,R). A zatem charakterystyki, ktre majz powierzchni z = f (x, y) jeden punkt wsplny, le wic cakowicie na tej powierzchni.
Przykad 7.z
x+ zy
= 0 (90)
Rozwizanie:z = (y x) (91)
9
http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28u%29%28d%2Fdx%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28u%29%28d%2Fdy%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28x%2By%29%28d%2Fdu%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28u%29%28d%2Fdx%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28u%29%28d%2Fdy%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28x%2By%29%28d%2Fdu%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28u%29%28d%2Fdx%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28u%29%28d%2Fdy%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%2B+%28x%2By%29%28d%2Fdu%28V%28x%2Cy%2Cu%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28u%29%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28u%29%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+x+%2B+yhttp://www.wolframalpha.com/input/?i=%28u%29%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28u%29%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+x+%2B+yhttp://www.wolframalpha.com/input/?i=%28u%29%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28u%29%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+x+%2B+y
Przykadowe rozwizanie: z = yx. Wektor normalny do tej powierzchni wynosi po prze-niesieniu na praw stron i obliczeniu pochodnych czstkowych: [1, 1, 1]. Jest on prosto-pady do wektora (P,Q,R) = [1, 1, 0]. Rozwizanie na wolframalpha.com, http: // www.wolframalpha. com/ input/ ?i= %28d% 2Fdx% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %2B+ %28d% 2Fdy%28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %3D+ 0 . Narysowane rozwizanie na wolframalpha.com, http:// www. wolframalpha. com/ input/ ?i= y+ -+x+ -+z+ %3D+ 0 .
Zagadnienie Cauchyego.Dane jest n funkcji n 1 zmiennych niezalenych t1, t2, . . . , tn1.
x1 = x1 (t1, t2, . . . , tn 1)x2 = x2 (t1, t2, . . . , tn 1). . .xn = xn (t1, t2, . . . , tn 1)
(92)
Zagadnienie Cauchyego dla rwnania rniczkowego czstkowego liniowego polega naznalezieniu takiego rozwizania:
z = (x1, x2, . . . , xn) (93)
e po podstawieniu danych wczeniej n funkcji otrzymujemy wczeniej ustalon funkcj
(t1, t2, . . . , tn1) (94)
czyli:
(x1 (t1, t2, . . . , tn1) , x2 (t1, t2, . . . , tn1) , . . . , xn (t1, t2, . . . , tn1)) = (t1, t2, . . . , tn1)
(95)
Dla dwch zmiennych niezalenych problem redukuje si do znalezienia powierzchni ca-kowej przechodzcej przez ustalon krzyw. Jeli krzywa ta ma styczn zmieniajc siw sposb cigy i w adnym punkcie nie jest styczna do jakiej charakterystyki to za-gadnienie Cauchyego ma w pewnym otoczeniu tej krzywej jednoznaczne rozwizanie.Powierzchnia cakowa skada si wtedy ze wszystkich charakterystyk przecinajcych da-n krzyw.
Przykad 8. Jak zdefiniowa warunki Cauchyego aby ponisze rwnanie miao rozwi-zanie u = (y x)2
u
x+ uy
= 0 (96)
Odpowied: warunek brzmiu (0, y) = y2 (97)
Krzyw (0, t, t2) mona wyobrazi sobie w przestrzeni trjwymiarowej i przez ni musiprzechodzi poszukiwana funkcja u.
Ukad charakterystycznydx
1 =dy
1 (98)
10
http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=y+-+x+-+z+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=y+-+x+-+z+%3D+0
A wic rozwizaniem ukadu jestC1 = y x (99)
gdzie C1 jest sta. Powysze wyraenie jest cak pierwsz ukadu charakterystycznego.Rozwizanie oglne ma posta
(y x) (100)
Jeli oglne rozwizanie jest postaci powyszej, to moemy zauway, e u = (y x)2spenia to rwnanie, ponadto spenia dodatkowy warunek, jak podstawimy x = 0. Pyta-nie, czy jest to jedyna taka funkcja, ktra bdzie takiej postaci jak rozwizanie oglnei speniaa dodatkowy warunek. Wicej informacji w [1], str. 362. Bardziej techniczniemoemy wyprowadzi to rozwizanie nastpujco. Traktujc niezalenie zmienne x, y, uwarunek moemy zapisa w postaci parametrycznej jako krzyw postaci
x = 0 (101)
y = t (102)
u = t2 (103)
Nastpnie tworzymy ukad rwna doczajc do powyszych rwna cak pierwsz
x = 0 (104)
y = t (105)
u = t2 (106)
C1 = y x (107)
Zadanie polega na wyznaczeniu u z powyszego ukadu niezalenie od x, y, t, a zatemotrzymujemy
u = C21 (108)
Nastpnie podstawiamy wartoci staych i otrzymujemy
u (x, y) = (y x)2 (109)
Przykad 9.xu
x+ yu
y+ z2
u
z= 0 (110)
u (1, y, z) = y + z2 (111)
Ukad charakterystyczny:dx
x= dy
y= 2dz
z(112)
Caki pierwsze:yx = C1z2
x = C2(113)
11
Otrzymujemy ukadx = 1y = t1z = t2yx = C1z2
x = C2u = t1 + t22
(114)
Std:u = C1 + C2 (115)
I po podstawieniu caek pierwszych otrzymujemy
u (x, y, z) = yx
+ z2
x(116)
Rozwizanie oglne na wolframalpha.com, http: // www. wolframalpha. com/ input/?i= x% 28d% 2Fdx% 28u% 28x% 2Cy% 2Cz% 29% 29% 29+ %2B+ y% 28d% 2Fdy% 28u% 28x% 2Cy% 2Cz%29% 29% 29+ %2B+ z% 2F2% 28d% 2Fdz% 28u% 28x% 2Cy% 2Cz% 29% 29% 29+ %3D+ 0 . Rozwiza-nie zagadnienia Cauchyego na wolframalpha.com, http: // www. wolframalpha. com/input/ ?i= x% 28d% 2Fdx% 28u% 28x% 2Cy% 2Cz% 29% 29% 29+ %2B+ y% 28d% 2Fdy% 28u% 28x%2Cy% 2Cz% 29% 29% 29+ %2B+ z% 2F2% 28d% 2Fdz% 28u% 28x% 2Cy% 2Cz% 29% 29% 29+ %3D+ 0%2C+ u% 281% 2Cy% 2Cz% 29+ %3D+ y+ %2B+ z^2 .
Przykad 10. Przykad dla rwnania liniowego niejednorodnego
xu
x+ yu
y= 6x y (117)
z warunkiemu (2, t) = t
2
4 + 12 t (118)
Najpierw tworzymy rwnanie jednorodne
xV
x+ yV
y+ (6x y) V
u= 0 (119)
Chcemy przeksztaci warunek tak aby mg by doczony do rwnania jednorodnego.Proponujemy nastpujce rozumowanie: jeli mamy jakie rozwizanie szczeglne u1(x,y) rwnania wyjciowego to moemy skonstruowa rozwizanie szczeglne rwnania jed-norodnego, ktre mu odpowiada, to jest
V1 (x, y, u) = u1 (x, y) u . (120)
Moemy podstawi powysze do rwnania (119) i otrzymujemy rwnanie wyjciowe dlau1.
Ukad charakterystycznydx
x= dy
y= du6x y (121)
12
http://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+z%2F2%28d%2Fdz%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+z%2F2%28d%2Fdz%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+z%2F2%28d%2Fdz%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+z%2F2%28d%2Fdz%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%3D+0%2C+u%281%2Cy%2Cz%29+%3D+y+%2B+z^2http://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+z%2F2%28d%2Fdz%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%3D+0%2C+u%281%2Cy%2Cz%29+%3D+y+%2B+z^2http://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+z%2F2%28d%2Fdz%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%3D+0%2C+u%281%2Cy%2Cz%29+%3D+y+%2B+z^2http://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%2B+z%2F2%28d%2Fdz%28u%28x%2Cy%2Cz%29%29%29+%3D+0%2C+u%281%2Cy%2Cz%29+%3D+y+%2B+z^2
Rozpatrujemy dwa rwnaniadx
x= dy
y(122)
dy
y= du6x y (123)
Z pierwszego rwnania otrzymujemy
y = C1x (124)
C1 =y
x(125)
Po podstawieniu do drugiego rwnania x otrzymujemy
dy
y= du6 yC1 y
(126)
Traktujemy zmienn u jako zmienn zalen. Otrzymujemy rwnanie rniczkowe zwy-czajne liniowe. Rozwizaniem jest
u = C2 + 6y
C1 y (127)
Rozwizanie na wolframalpha.com http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i= dx%2Fx+ %3D+ dy% 2F% 286x% 2FC+ -+x% 29 . Caka pierwsza to
C2 = u 6x+ y (128)
A wic rozwizaniem rwnania jednorodnego jest funkcja
V = (y
x, u 6x+ y
)(129)
Rozwizaniem rwnania wyjciowego jest funkcja u dana w postaci uwikanej
(y
x, u 6x+ y
)= 0 (130)
Po rozwikaniu otrzymujemyu 6x+ y =
(y
x
)(131)
u = (y
x
)+ 6x y (132)
Moemy zauway, e warunek wyjciowy moemy przeksztaci do postaci
V (2, t, s) = t2
4 + 12 t s (133)
A wic otrzymujemy ukad rwnax = 2 (134)
13
http://www.wolframalpha.com/input/?i=dx%2Fx+%3D+dy%2F%286x%2FC+-+x%29http://www.wolframalpha.com/input/?i=dx%2Fx+%3D+dy%2F%286x%2FC+-+x%29
y = t (135)u = s (136)
V = t2
4 + 12 t s (137)
C1 =y
x(138)
C2 = u 6x+ y (139)Wyznaczamy V jako
V = y2
2 + 12 y u =C21x
2
2 + 12C1x u =C21x
2
2 + 12C1xC2 6x+ y (140)
= C21x
2
2 + 12 C1x C2 6x+ C1x = 2C21 C2 (141)
A wic po podstawieniu za C1 i C2 otrzymujemy
V = 2y2
x2 u+ 6x y (142)
Po przyrwnaniu do 0 otrzymujemy
2y2
x2 u+ 6x y = 0 (143)
u = 2y2
x2+ 6x y (144)
Moemy sprawdzi, e powysze jest rzeczywicie rozwizaniem rwnania wyjciowegooraz e jest speniony warunek wyjciowy. Rozwizanie na wolframalpha.com http: //www. wolframalpha. com/ input/ ?i= x% 28d% 2Fdx% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %2B+ y%28d% 2Fdy% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %3D+ 6x+ -+y .
Inny sposb: majc dane rozwizanie oglne pytanie jest takie jak dobra funkcj aby by speniony dany warunek. Moemy podstawi wartoci zmiennych niezalenych zwarunku do oglnego rozwizania a nastpnie podstawi oglne rozwizanie do warunkui otrzymujemy
(t
2
)+ 12 t = t
2
4 + 12 t (145)
A wic
(t
2
)= t
2
4 =(t
2
)2(146)
A wic funkcja jest funkcj kwadratow. A zatem otrzymujemy rozwizanie szczeglne
u = 2y2
x2+ 6x y (147)
Inne pytanie jest takie, w jaki sposb wyznaczy warunek Cauchyego dla podanegorozwizania szczeglnego? Mona podstawi odpowiednie stae do rozwizania, przyka-dowo do powyszego rozwizania podstawiamy x = 2 i otrzymujemy wyjciowy warunek.
14
http://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+6x+-+yhttp://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+6x+-+yhttp://www.wolframalpha.com/input/?i=x%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+y%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+6x+-+y
Przykad 11. Znale powierzchni cakow rwnania pierwszego rzdu
z
x+ zy
= z (148)
do ktrej naley krzywa x = 0, z = (y). Ukad charakterystyczny ma posta:
dx
1 =dy
1 =dz
z(149)
Charakterystykami przechodzcymi przez punkt (x0, y0, z0) s:
y = x x0 + y0 (150)
z = z0exx0 (151)
Powierzchnia cakowa ma wic przedstawienie parametryczne postaci:
y = x+ y0 (152)
z = ex (y0) (153)
przy czym podstawilimy x0 = 0, z0 = (y0). Wyeliminowanie y0 prowadzi do wzoruz = ex (y x).
Rozwizanie na wolframalpha.com, http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i=%28d% 2Fdx% 28z% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %2B+ %28d% 2Fdy% 28z% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %3D+z% 28x% 2Cy% 29 .
1.2 Nieliniowe rwnania rniczkowe czstkowe pierwszego rzdu
Posta ogln rwnania rniczkowego czstkowego pierwszego rzdu nazywamy rwna-nie uwikane typu:
F
(x1, . . . , xn, z,
z
x1, . . . ,
z
xn
)= 0 (154)
Rozwizanie rwnaniaz = (x1, . . . , xn; a1, . . . , an) (155)
zalene od n parametrw ai dla ktrego jakobian wzgldem tych parametrw dla wartocix1, . . . , xn z rozpatrywanego obszaru nie znika:
(x1 , . . . ,
xn
) (a1, . . . , an)
6= 0 (156)
nazywamy cak zupen.Wszystkie rozwizania o pochodnych czstkowych rzdu pierwszego mog by otrzy-
mane z caki zupenej za pomoc metody uzmiennienia staych.Oznaczamy
z
x= p (157)
15
http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28d%2Fdx%28z%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28d%2Fdy%28z%28x%2Cy%29%29%29+%3D+z%28x%2Cy%29http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28d%2Fdx%28z%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28d%2Fdy%28z%28x%2Cy%29%29%29+%3D+z%28x%2Cy%29http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28d%2Fdx%28z%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28d%2Fdy%28z%28x%2Cy%29%29%29+%3D+z%28x%2Cy%29
z
y= q (158)
Oglne rwnanie o pochodnych czstkowych pierwszego rzdu
F (x, y, z, p, q) = 0 (159)
Caka zupena w postaci uwikanej
V (x, y, z, a, b) = 0 (160)
w postaci rozwizanej wzgldem z
z = (x, y, a, b) (161)
Mamy rodzin powierzchni kulistych
(x a)2 + (y b)2 + z2 = R2 (162)
Znale rwnanie o pochodnych czstkowych, dla ktrego ta rodzina stanowi cak zu-pen. Traktujemy z jako funkcj x i y, rniczkowujemy rwnanie wzgldem x i y.Nastpnie rugujemy a i b. Otrzymujemy
x a+ zp = 0 (163)
y b+ zq = 0 (164)
skdx a = zp (165)
y b = zq (166)
Po podstawieniu do wyjciowego rwnania otrzymujemy
z2(1 + p2 + q2
)= R2 (167)
Rozwizanie oglne otrzymujemy z rwnania na cak zupen, rwnania
b = (a) (168)
oraz rwnaniaV
a+ Vb
(a) = 0 (169)
przez rugowanie a i b.Aby otrzyma rozwizania osobliwe wyliczmy a i b z rwna
a (x, y, a, b) = 0 (170)
b (y, x, a, b) = 0 (171)
do rwnania (161). Otrzymamy konkretn funkcj z.
16
Inny przykad: caka zupena jest dana jako
z = ax+ by + ab (172)
Szukamy rwnania rniczkowego czstkowego:
p = a (173)
q = b (174)
z = px+ qy + pq (175)
Szukamy caki osobliwej:0 = x+ b (176)
0 = y + a (177)
z = xy (178)
Szukamy caki oglnej musimy obra zwizek
b = (a) (179)
i rugujemy parametr a z rwna
z = ax+ (a) y + a (a) (180)
0 = x+ (a) + (a) (y + a) (181)
Cakowanie wyjciowego rwnania daje si sprowadzi do cakowania ukadu charak-terystycznego
dx1P1
= . . . = dxnPn
= dzp1P1 + . . .+ pnPn
= dp1X1 + p1Z
= . . . = dpnXn + pnZ
(182)
gdzieZ = F
z(183)
Xi =F
xi(184)
pi =z
xi(185)
Pi =F
pi(186)
dla i = 1, . . . , n Rozwizania ukadu charakterystycznego, ktre speniaj dodatkowowarunek
F (x1, . . . , xn, z, p1, . . . , pn) = 0 (187)
nazywamy wstgami charakterystycznymi.
17
Mamy rwnanieF (x, y, z, p, q) = 0 (188)
Chcemy wyznaczy drugie rwnanie
(x, y, z, p, q) = a (189)
tak aby ukad tych rwna spenia warunek cakowalnoci zupenej. W ten sposb otrzy-mujemy dla niewiadomej rwnanie liniowe o pochodnych czstkowych rzdu pierwszego
Px
+Qy
+ (Pp+Qq) z (X + Zp)
p (Y + Zq)
q= 0 (190)
Rwnaniu temu odpowiada ukad charakterystyczny
dx
P= dyQ
= dzPp+Qq =
dp
X + Zp = dq
Y + Zq (191)
Znajdujemy jedn cak pierwsz a wic
(x, y, z, p, q) = a (192)
i z tego rwnania i z rwnania wyjciowego obliczamy p i q za pomoc zmiennych x, y,z i przez sta a
Specjalne typy rwnaF (p, q) = 0 (193)
Przykad 12. Rozwiza rwnanie
u
x+ uy
u
y= 0 (194)
Rozwizanie na wolframalpha.com http: // www. wolframalpha. com/ input/ ?i= %28d%2Fdx% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %2B+ %28d% 2Fdy% 28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29% 28d% 2Fdy%28u% 28x% 2Cy% 29% 29% 29+ %3D+ 0 . Pierwsze zadanie polega na znalezieniu dowolnej ca-ki zupenej dla tego rwnania. Przeksztacamy to rwnanie do postaci
p+ q2 = 0 (195)
Nastpnie konstruujemy rwnanie liniowe
1x
+ 2qy
= 0 (196)
Znajdujemy cak pierwsz tego rwnania, ktra wynosi
C1 = y 2qx (197)
Z tego rwnania otrzymujemyq = y C12x (198)
18
http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+0http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28d%2Fdx%28u%28x%2Cy%29%29%29+%2B+%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29%28d%2Fdy%28u%28x%2Cy%29%29%29+%3D+0
A z rwnania (195) otrzymujemy
p = (y C1)2
4x2 (199)
Rozwizujemy ten ukad rwna: Z pierwszego rwnania otrzymujemy
z = y2
4x C1y
2x + C2 (x) (200)
Podstawiajc do drugiego otrzymujemy
y2
4x2 +C1y
2x2 + C2 (x) =
(y C1)2
4x2 (201)
A wic
C 2 (x) = (y C1)2
4x2 +y2
4x2 C1y
2x2 (202)
A wic
C2 (x) =(y C1)2
4x y2
4x +C1y
2x + C2 (203)
A wic
z = y2
4x C1y
2x +(y C1)2
4x y2
4x +C1y
2x + C2 =(y C1)2
4x + C2 (204)
Sprawdzenie czy to jest caka zupena, podstawiajc do rwnania wyjciowego otrzy-mujemy
(y C1)2
4x2 + 2(y C1)
4x 2(y C1)
4x = 0 (205)
(y C1)2
4x2 +(y C1)2
4x2 = 0 (206)
A wic rzeczywicie jest to caka zupena.Nastpnym etapem jest znalezienie rozwizania oglnego bazujc na cace zupenej.
Caka zupena w postaci uwikanej to
y2 2C1y + C21 + 4C2x = 4xz (207)
V = C21 2yC1 + y2 + 4C2x 4xz = 0 (208)
Doczamy rwnanieC2 = (C1) (209)
gdzie (C1) to dowolna rniczkowalna funkcja. Podstawiamy to wyraenie w V i otrzy-mujemy
V = C21 2yC1 + y2 + 4 (C1)x 4xz = 0 (210)
Doczamy rwnanieV
C1+ VC2
(C1) = 0 (211)
19
2C1 2y + 4x (C1) = 0 (212)
Jeli obliczymy z tego C1 dla wybranej dowolnej funkcji to po podstawieniu do V otrzy-mamy rozwizanie szczeglne. Nie ma za bardzo jak poda wprost rozwizania oglnego,poniewa najpierw musimy znale C1(x, y, z) z rwnania (212). Przykadowo zamy,e
(C1) = C1 (213)
wtedy2C1 2y + 4x = 0 (214)
C1 =2y 4x
2 = y 2x (215)
Podstawiajc do z otrzymujemy
z = 4x2
4x + C1 =4x2
4x + y 2x = x+ y 2x = y x (216)
Sprawdmy, czy jest to rozwizanie tego rwnania, po podstawieniu otrzymujemy
1 + 1 = 0 (217)
a wic jest to rozwizanie szczeglne rwnania wyjciowego.
1.3 Zagadnienia dodatkowe
Ukad kanoniczny rwna rniczkowych.
2 Zadania
2.1 Zadania na 3.0
Znale rozwizanie oglne rwna:
xu
x+ yu
y+ z2yu
z= 0 (218)
u
z (y + 2z) u
y+ (2y + 4z) u
z= 0 (219)
1u
u
x+ 1u
u
y= x+ y (220)
Rozwiza zagadnienia Cauchyego:
20
(z y2
) ux
+ z uy
+ yuz
= 0 (221)
u (0, y, z) = 2y (y z) (222)
(1 + x2
) ux
+ xyuy
= 0 (223)
u (0, y) = y2 (224)
xu
x+ yu
y= u2y (225)
x = ty = t2u = 1
(226)
Rozwiza rwnie powysze rwnania symbolicznie w Matlabie i na wolframalpha. Wy-wietli na wykresie w Matlabie przykadowe rozwizanie. Do kadej caki pierwszejwywietli na wykresie w Matlabie pole kierunkowe. Wywietli na wykresie w Matlabiewarunki Cauchyego.
2.2 Zadania na 4.0
Rozwiza rwnanie:
(mz ny) zx
+ (nx lz) zy
= ly mx (227)
gdzie l,m, n s stae. Poda znaczenie geometryczne charakterystyk oraz rozwizaniaoglnego. Przedstawi na wykresie.
Rozwiza rwnie powysze rwnania symbolicznie w Matlabie i na wolframalpha.Wywietli na wykresie w Matlabie przykadowe rozwizanie. Do kadej caki pierwszejwywietli na wykresie w Matlabie pole kierunkowe.
2.3 Zadania na 5.0
Rozwamy ruch dwch punktw na paszczynie oddziaujcych ze sob za porednic-twem siy grawitacji. Jeden z punktw znajduje si w pocztku ukadu wsprzdnych.Zapisa rwnania ruchu za pomoc funkcji Hamiltona. Rozwiza te rwnania wykorzy-stujc teorie ukadw kanonicznych rwna rniczkowych.
Rozwiza rwnie powysze rwnania symbolicznie w Matlabie i na wolframalpha.Wywietli na wykresie w Matlabie przykadowe rozwizanie. Do kadej caki pierwszejwywietli na wykresie w Matlabie pole kierunkowe.
21
Literatura[1] W. W. Stiepanow, Rwnania rniczkowe. Pastwowe Wydawnictwo Naukowe, 1964.
11
22
WstepLiniowe rwnania rzniczkowe czastkowe pierwszego rzeduNieliniowe rwnania rzniczkowe czastkowe pierwszego rzeduZagadnienia dodatkowe
ZadaniaZadania na 3.0Zadania na 4.0Zadania na 5.0