Fie I R un interval deschis, G R n, n 1, un domeniu şi f : I G R n. Forma generala a unei ecuaţii diferenţiale de ordinul întâi este: = f(x, y).

Σχετικά έγγραφα
Sisteme diferenţiale liniare de ordinul 1

Curs 14 Funcţii implicite. Facultatea de Hidrotehnică Universitatea Tehnică "Gh. Asachi"

1Ecuaţii diferenţiale

Curs 10 Funcţii reale de mai multe variabile reale. Limite şi continuitate.

5. FUNCŢII IMPLICITE. EXTREME CONDIŢIONATE.

(a) se numeşte derivata parţială a funcţiei f în raport cu variabila x i în punctul a.

Metode iterative pentru probleme neliniare - contractii

Integrala nedefinită (primitive)

SEMINAR 14. Funcţii de mai multe variabile (continuare) ( = 1 z(x,y) x = 0. x = f. x + f. y = f. = x. = 1 y. y = x ( y = = 0

Curs 4 Serii de numere reale

V.7. Condiţii necesare de optimalitate cazul funcţiilor diferenţiabile

Conice. Lect. dr. Constantin-Cosmin Todea. U.T. Cluj-Napoca

Siruri de numere reale

Definiţia generală Cazul 1. Elipsa şi hiperbola Cercul Cazul 2. Parabola Reprezentari parametrice ale conicelor Tangente la conice

a n (ζ z 0 ) n. n=1 se numeste partea principala iar seria a n (z z 0 ) n se numeste partea

Seminariile Capitolul X. Integrale Curbilinii: Serii Laurent şi Teorema Reziduurilor

Planul determinat de normală şi un punct Ecuaţia generală Plane paralele Unghi diedru Planul determinat de 3 puncte necoliniare

Concurs MATE-INFO UBB, 1 aprilie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

Sisteme de ecuaţii diferenţiale

Ion CRĂCIUN CAPITOLE DE MATEMATICI SPECIALE EDITURA PIM

Ecuaţia generală Probleme de tangenţă Sfera prin 4 puncte necoplanare. Elipsoidul Hiperboloizi Paraboloizi Conul Cilindrul. 1 Sfera.

Laborator 6. Integrarea ecuaţiilor diferenţiale

z a + c 0 + c 1 (z a)

Asupra unei inegalităţi date la barajul OBMJ 2006

Toate subiectele sunt obligatorii. Timpul de lucru efectiv este de 3 ore. Se acordă din oficiu 10 puncte. SUBIECTUL I.

R R, f ( x) = x 7x+ 6. Determinați distanța dintre punctele de. B=, unde x și y sunt numere reale.

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor X) functia f 1

Fişier template preliminar

Metode de interpolare bazate pe diferenţe divizate

Ecuaţii diferenţiale de ordinul întâi rezolvabile prin metode elementare

Ecuatii trigonometrice

III. Serii absolut convergente. Serii semiconvergente. ii) semiconvergentă dacă este convergentă iar seria modulelor divergentă.

Capitolul 4. Integrale improprii Integrale cu limite de integrare infinite

SEMINAR TRANSFORMAREA FOURIER. 1. Probleme

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor

Puncte de extrem pentru funcţii reale de mai multe variabile reale.

CONCURS DE ADMITERE, 17 iulie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

Ecuatii exponentiale. Ecuatia ce contine variabila necunoscuta la exponentul puterii se numeste ecuatie exponentiala. a x = b, (1)

Metode Runge-Kutta. 18 ianuarie Probleme scalare, pas constant. Dorim să aproximăm soluţia problemei Cauchy

Functii Breviar teoretic 8 ianuarie ianuarie 2011

SERII NUMERICE. Definiţia 3.1. Fie (a n ) n n0 (n 0 IN) un şir de numere reale şi (s n ) n n0

Profesor Blaga Mirela-Gabriela DREAPTA

Aplicaţii ale principiului I al termodinamicii la gazul ideal

CURS METODA OPERAŢIONALĂ DE INTEGRARE A ECUAŢIILOR CU DERIVATE PARŢIALE DE ORDIN II

8 Intervale de încredere

J F (ρ, ϕ, θ) = cos ϕ ρ sin ϕ 0. Teoremă (a diferenţiabilităţii compuse) (legea lanţului) Fie F : D deschis

Curs 1 Şiruri de numere reale

EDITURA PARALELA 45 MATEMATICĂ DE EXCELENŢĂ. Clasa a X-a Ediţia a II-a, revizuită. pentru concursuri, olimpiade şi centre de excelenţă

APLICAŢII ALE CALCULULUI DIFERENŢIAL. Material pentru uzul studenţilor de la FACULTATEA DE

DISTANŢA DINTRE DOUĂ DREPTE NECOPLANARE

Cursul Măsuri reale. D.Rusu, Teoria măsurii şi integrala Lebesgue 15

2.1 Sfera. (EGS) ecuaţie care poartă denumirea de ecuaţia generală asferei. (EGS) reprezintă osferă cu centrul în punctul. 2 + p 2

Analiza în curent continuu a schemelor electronice Eugenie Posdărăscu - DCE SEM 1 electronica.geniu.ro

TEMA 7: INTEGRALE NEDEFINITE. Obiective:

Ecuaţii şi sisteme diferenţiale. Teodor Stihi

f(x) = l 0. Atunci f are local semnul lui l, adică, U 0 V(x 0 ) astfel încât sgnf(x) = sgnl, x U 0 D\{x 0 }. < f(x) < l +

Cuprins. Notaţii... viii Istoric... ix

BARAJ DE JUNIORI,,Euclid Cipru, 28 mai 2012 (barajul 3)

2.1 Ecuaţii liniare cu derivate parţiale de ordinul întâi... 25

CURS VII-IX. Capitolul IV: Funcţii derivabile. Derivate şi diferenţiale. 1 Derivata unei funcţii. Interpretarea geometrică.

FENOMENE TRANZITORII Circuite RC şi RLC în regim nestaţionar

Curs 2 Şiruri de numere reale

6 n=1. cos 2n. 6 n=1. n=1. este CONV (fiind seria armonică pentru α = 6 > 1), rezultă

Conice - Câteva proprietǎţi elementare

COLEGIUL NATIONAL CONSTANTIN CARABELLA TARGOVISTE. CONCURSUL JUDETEAN DE MATEMATICA CEZAR IVANESCU Editia a VI-a 26 februarie 2005.

CONCURSUL DE MATEMATICĂ APLICATĂ ADOLF HAIMOVICI, 2017 ETAPA LOCALĂ, HUNEDOARA Clasa a IX-a profil științe ale naturii, tehnologic, servicii

( ) ( ) ( ) Funcţii diferenţiabile. cos x cos x 2. Fie D R o mulţime deschisă f : D R şi x0 D. Funcţia f este

Concurs MATE-INFO UBB, 25 martie 2018 Proba scrisă la MATEMATICĂ

Integrale cu parametru

T R A I A N ( ) Trigonometrie. \ kπ; k. este periodică (perioada principală T * =π ), impară, nemărginită.

Olimpiada Naţională de Matematică Etapa locală Clasa a IX-a M 1

Capitolul 3. Serii Fourier. a unei funcţii periodice de perioadă Dezvoltarea în serie Fourier

TEMA 9: FUNCȚII DE MAI MULTE VARIABILE. Obiective:

Seminar 5 Analiza stabilității sistemelor liniare

avem V ç,, unde D = b 4ac este discriminantul ecuaţiei de gradul al doilea ax 2 + bx +

Lectia VI Structura de spatiu an E 3. Dreapta si planul ca subspatii ane

2 Transformări liniare între spaţii finit dimensionale

SEMINAR TRANSFORMAREA LAPLACE. 1. Probleme. ω2 s s 2, Re s > 0; (4) sin ωt σ(t) ω. (s λ) 2, Re s > Re λ. (6)

Laborator 11. Mulţimi Julia. Temă

Curs 2 DIODE. CIRCUITE DR

4. Ecuaţii diferenţiale de ordin superior

Fig Impedanţa condensatoarelor electrolitice SMD cu Al cu electrolit semiuscat în funcţie de frecvenţă [36].

Seminar Algebra. det(a λi 3 ) = 0

Seminariile Capitolul IX. Integrale curbilinii

Capitolul 2 ECUAŢII CU DERIVATE PARŢIALE DE ORDINUL AL DOILEA

7. ECUAŢII ŞI SISTEME DE ECUAŢII DIFERENŢIALE

Orice izometrie f : (X, d 1 ) (Y, d 2 ) este un homeomorfism. (Y = f(x)).

3 FUNCTII CONTINUE Noţiuni teoretice şi rezultate fundamentale Spaţiul euclidian R p. Pentru p N *, p 2 fixat, se defineşte R

Criptosisteme cu cheie publică III

1.3 Baza a unui spaţiu vectorial. Dimensiune

Lucian Maticiuc CURS I II. 1 Matrice şi determinanţi. Sisteme de ecuaţii liniare. 1.1 Matrice şi determinanţi

a) (3p) Sa se calculeze XY A. b) (4p) Sa se calculeze determinantul si rangul matricei A. c) (3p) Sa se calculeze A.

Dreapta in plan. = y y 0

Asupra unei metode pentru calculul unor integrale definite din functii trigonometrice

IV. CUADRIPOLI SI FILTRE ELECTRICE CAP. 13. CUADRIPOLI ELECTRICI

Spatii liniare. Exemple Subspaţiu liniar Acoperire (înfăşurătoare) liniară. Mulţime infinită liniar independentă

SEMINARUL 3. Cap. II Serii de numere reale. asociat seriei. (3n 5)(3n 2) + 1. (3n 2)(3n+1) (3n 2) (3n + 1) = a

* K. toate K. circuitului. portile. Considerând această sumă pentru toate rezistoarele 2. = sl I K I K. toate rez. Pentru o bobină: U * toate I K K 1

O generalizare a unei probleme de algebră dată la Olimpiada de Matematică, faza judeţeană, 2013

Principiul Inductiei Matematice.

Transcript:

Ecuaţii diferenţiale Ecuaţii diferenţiale ordinare Ecuaţii cu derivate parţiale Ordinul unei ecuaţii Soluţia unei ecuaţii diferenţiale ordinare Fie I R un interval deschis, G R n, n 1, un domeniu şi f : I G R n. Forma generala a unei ecuaţii diferenţiale de ordinul întâi este: dx f defineşte o ecuaţie explicită. x variabila independentă = f(x, y). (1) C. Timofte Ecuatii diferentiale 1

y variabila dependentă (funcţia necunoscută) O ecuaţie care nu depinde de x se numeşte autonomă. O funcţie φ : I 1 I G este soluţie a ecuaţiei (1) dacă: (1) φ este derivabila, (2) φ si derivatele ei verifica: dφ dx = f(x, φ(x)), x I 1. Daca f i sunt componentele lui f, atunci obtinem sistemul: i dx = f i(x, y 1,..., y n ), i = 1, 2,..., n. O solutie a acestui sistem este o functie derivabila, φ( ) = (φ 1 ( ),..., φ n ( )) : I 1 I G, care verifica: dφ i dx = f(x, φ 1(x),..., φ n (x)), x I 1, i = 1,..., n. C. Timofte Ecuatii diferentiale 2

Probleme fundamentale in teoria ecuatiilor diferentiale ordinare Existenta solutiilor. Problema Cauchy Pentru f : I G R n continua, se poate arata usor ca exista, local, o solutie a ecuatiei (1). In plus, pentru orice punct (x 0, y 0 ) I G, exista o solutie φ : I 1 I G a ecuatiei (1), cu x 0 I 1 si φ(x 0 ) = y 0. Unicitatea solutiei Studiul calitativ al solutiilor Gasirea solutiilor - solutii explicite C. Timofte Ecuatii diferentiale 3

- solutii sub forma implicita: Ψ(x, ϕ(x)) 0, x I 1. (2) - solutii sub forma parametrica: x = α(p, C), y = β(p, C), p J 0 R. (3) - solutia generala: Φ(x, y, C) = 0. unde C este o constanta arbitrara in J R n. Pentru valori particulare ale constantei C, obtinem solutii particulare. - solutii singulare (nu pot fi obtinute din solutia generala prin particularizarea constantei) C. Timofte Ecuatii diferentiale 4

Exemplu. Ecuatia are solutia generala dx = 1 y 2, y si solutiile singulare y = ±1. Ecuatii de ordin superior (x + C) 2 + y 2 = 1, C R Ecuatia lui Newton: m d2 r dr = F(t, r, dt2 dt ). Forma generala a unei ecuatii de ordinul n: F (x, y, y, y,..., y (n) ) = 0. (4) C. Timofte Ecuatii diferentiale 5

Solutia generala a ecuatiei (4) depinde de n constante arbitrare: y(x) = φ(x, C 1, C 2,..., C n ), C i R, i = 1, 2,..., n. (5) F (x, φ(x), φ (x), φ (x),..., φ (n) (x)) = 0, x (a, b). (6) - solutii implicite: Φ(x, y, C 1, C 2,..., C n ) = 0, C i R, i = 1, 2,..., n. (7) Exemplu. y = 0. Integrand de trei ori, obtinem x 2 y(x) = C 1 2 + C 2x + C 3, C 1, C 2, C 3 R. C. Timofte Ecuatii diferentiale 6

Ecuaţii diferenţiale de ordinul întâi Fie f : I G R n. Problema Cauchy: dx = f(x, y). (8) = f(x, y) dx y(x 0 ) = y 0. (9) Ecuaţii elementare integrabile prin cuadraturi Ecuaţia fundamentală dx = f(x), C. Timofte Ecuatii diferentiale 7

unde f : I R R este o functie continua data. Solutia generala: y(x) = f(x)dx + C, unde C este o constanta reala arbitrara. Constanta C poate fi determinata daca asociem o problema Cauchy prin impunerea conditiei y(x 0 ) = y 0. Obtinem: Exemplul 1. y(x) = y 0 + x x 0 f(x)dx. dx = 1 x 2, x I R \ { 1, 1}. 1 C. Timofte Ecuatii diferentiale 8

y(x) = dx x 2 1 + C, unde C este o constanta reala arbitrara. Rezulta Exemplul 2. y(x) = 1 2 ln x 1 x + 1 +C. dx = 2 (x 1) 2, x I R \ {1}, y(0) = 1. Solutia generala este: y(x) = 2 x 1 + C, x I. Din conditia initiala y(0) = 1, rezulta C = 1. C. Timofte Ecuatii diferentiale 9

y(x) = x + 1 x 1. Ecuaţii cu variabile separabile Fie I 1 si I 2 intervale deschise in R. Forma generala a unei ecuatii cu variabile separabile este: dx unde f : I 1 R si g : I 2 R sunt functii continue. = f(x)g(y), (10) Algoritm. 1) Daca y 1, y 2,..., y i sunt solutii ale ecuatiei g(y) = 0, atunci φ i (x) y i, pentru x I 1, sunt solutii stationare. C. Timofte Ecuatii diferentiale 10

2) Fie J = {y g(y) 0}. Separand variabilele si integrand, obtinem: g(y) = f(x)dx + C. Daca notam cu G o primitiva a functiei 1/g si cu F o primitiva a lui f, atunci obtinem solutia generala in forma implicita: G(y) = F (x) + C. Cand e posibil sa explicitam, obtinem: y = ψ(x, C). Deci, integrala completa a ecuatiei (10) este: y = ψ(x, C), y i (x) = y i. C. Timofte Ecuatii diferentiale 11

Exemplul 1. dx = y x, x I R +. Evident, y = 0 este solutie stationara. Pentru y 0, separand variabilele si integrand, obtinem y(x) = Cx, C R. Examplul 2. dx = y cot x, x (0, π/2). Evident, y = 0 este solutie stationara. Pentru y 0, obtinem y(x) = Csin x, C R. C. Timofte Ecuatii diferentiale 12

Examplul 3. x 2 y 2 dx + 1 = y, x I R +. Ecuatia poate fi scrisa in forma normala: dx = y 1 x 2 y 2. Evident, y = 1 este solutie stationara. Pentru y 1, separand variabilele si integrand, obtinem solutia generala in forma implicita: y 2 2 + y + ln y 1 = 1 x + C, C R. Examplul 4. C. Timofte Ecuatii diferentiale 13

Fie ecuatia: dx = (1 + y2 ) sin x. 2y a) Gasiti solutia ei generala. b) Aflati o solutie particulara care verifica si conditia initiala y(0) = 1. a) Separand variabilele si integrand, rezulta ln (1 + y 2 ) = cos x + C, C R. Deci y 2 = Ce cos x 1. b) Din conditia initiala rezulta y(x) = 2e cos x+1 1. C. Timofte Ecuatii diferentiale 14

Ecuaţii omogene Fie f : I R R o functie continua. Forma generala a unei ecuatii omogene este: dx = f( y ). (11) x Algoritm. 1) Schimbarea de variabile u = y x, ne conduce la du dx = f(u) u, (12) x care este o ecuatie cu variabile separabile. C. Timofte Ecuatii diferentiale 15

2) Integram ecuatia cu variabile separabile (12) si obtinem solutia generala u = ψ(x, C), unde C este o constanta reala arbitrara, si solutiile stationare u i (x) u i, cu u i solutii ale ecuatiei algebrice f(u) = u. Deci, integrala completa a ecuatiei (12) este: u(x) = ψ(x, C), u i (x) = u i. 3) Integrala completa a ecuatiei (11) este: y(x) = xψ(x, C), y i (x) = xu i (x). Exemplul 1. C. Timofte Ecuatii diferentiale 16

Aflati solutia problemei Cauchy: dx = x2 + y 2, x (0, ), xy y(1) = 0. Efectuand schimbarea de variabile ecuatia devine cu solutia generala Astfel, z(x) = y(x) x, dz dx = 1 xz, z 2 (x) = 2ln x + C. y 2 (x) = 2x 2 ln x + Cx 2. C. Timofte Ecuatii diferentiale 17

Din conditia initiala y(1) = 0, rezulta C = 0. Deci, solutia problemei Cauchy date este: y 2 (x) = 2x 2 ln x. Exemplul 2. dx = x + y y x. z(x) = y(x) x, x(z 1) dz dx = 1 + 2z z2. Evident, z = 1 + 2 si z = 1 2 sunt solutii stationare. Deci, y = x(1 + 2) si y = x(1 2) sunt solutii ale ecuatiei initiale. Pentru C. Timofte Ecuatii diferentiale 18

z 1 + 2 si z 1 2, separand variabilele si integrand, obtinem x 2 (1 + 2z z 2 ) = C, C R. Deci, solutia generala a ecuatiei initiale, este data implicit de x 2 + 2xy y 2 = C, C R. Exemplul 3. dx = y2 + 2xy x 2, x (0, ). dx = y2 x 2 + 2 y x. z(x) = y(x) x C. Timofte Ecuatii diferentiale 19

x dz dx = z2 + z. Evident, z = 0 si z = 1 sunt solutii stationare, de unde obtinem y = 0 si y = x. Pentru z 0 si z 1, obtinem Integrand, rezulta Astfel, Cx = dz dx = z2 + z. x z z + 1, C R. y = Cx2 1 Cx, unde C poate fi determinata din conditia initiala. C. Timofte Ecuatii diferentiale 20

Ecuaţii care se reduc la ecuaţii cu variabile separabile dx = f(ax + by), (13) unde a si b sunt constante reale date si f : I R R este o functie continua. z = ax + by dz = a + bf(z), (14) dx care este o ecuatie cu variabile separabile. Daca a + bf(z) 0, C. Timofte Ecuatii diferentiale 21

separand variabilele si integrand, obtinem dz x = + C, C R. a + b(z) Daca z i sunt solutii ale ecuatiei algebrice a + bf(z) = 0, atunci z i (x) z i sunt solutii stationare ale ecuatiei (14). Deci, integrala completa a ecuatiei (13) este: dz x = a + b(z) + C, z i (x) = z i. Exemplul 1. dx = 2x 2y 1 x y + 1. C. Timofte Ecuatii diferentiale 22

z = x y dz dx = 3z z + 1. Evident, z = 0 este solutie statioanra. Astefel, y(x) = x este solutie a ecuatiei initiale. Pentru z 0, z + ln z = 3x + C. Exemplul 2. ln x y = 2x + y + C. dx = x + y + 1 2x + 2y 3. C. Timofte Ecuatii diferentiale 23

z = x + y dz dx = z 4 2z 3. Solutia stationara: z = 4 y(x) = 4 x solutie stationara. Pentru z 4, 2z + 5 ln z 4 = x + C. Deci, solutia generala este x + 2y + 5 ln x + y 4 = C. Ecuatii reductibile la ecuatii omogene dx ax + by + c = f( ), (15) αx + βy + γ C. Timofte Ecuatii diferentiale 24

unde a, b, c, α, β, γ R si f : I R R este o functie continua. Fie a b = α β. Daca 0, fie (x 0, y 0 ) solutia sistemului ax + by + c = 0, αx + βy + γ = 0. Schimbarea ne conduce la dz ds s = x x 0, z = y y 0 = f( as + bz αs + βz ), C. Timofte Ecuatii diferentiale 25

sau care este o ecuatie omogena. z dz a + b ds = f( s α + β z ) = φ( z s ), s Daca = 0, coeficientii sunt proportionali: a α = b β = k dx = f( ax + by + c ) = F (ax + by). k(ax + by) + γ Schimbarea t = ax + by ne conduce la o ecuatie cu variabile separabile. Exemplul 1. dx = 2(y + 2)2 (x + y 1) 2. C. Timofte Ecuatii diferentiale 26

Deoarece 0, fie (3, 2) solutia sistemului y + 2 = 0, x + y 1 = 0. s = x 3, z = y + 2 Schimbarea dz ds = 2z2 (z + s) 2. t = z s, C. Timofte Ecuatii diferentiale 27

ne conduce la dt ds = t(1 + t2 ) s(1 + t) 2. Evident, avem solutia stationara t = 0, care ne conduce la solutia y = 2. Pentru t 0, separand variabilele si integrand, obtinem t = C s e 2arctan t. Deci: y + 2 2 arctan y + 2 = Ce x 3. Exemplul 2. dx = x y + 1 x + y 3. C. Timofte Ecuatii diferentiale 28

In acest caz 0. Fie (1, 2) solutia sistemului x y + 1 = 0, x + y 3 = 0. s = x 1, z = y 2 dz ds = s z s + z. t = z s dt ds = 1 2t t2 s(1 + t). C. Timofte Ecuatii diferentiale 29

Solutii stationare: t = 1 ± 2, care ne conduc la y = 2 + (x 1)( 1 ± 2). Pentru t 1 ± 2, obtinem 1 2 ln 1 2t t2 = ln s +C. Ecuaţii liniare x 2 2xy y 2 + 2x + 6y = C 1, C 1 R. O ecuatie liniara de ordinul intai are forma: = a(x)y + b(x), (16) dx unde a, b : I R R sunt functii continue date. C. Timofte Ecuatii diferentiale 30

Daca b(x) 0, ecuatia (16) s.n. omogena. dx = a(x)y. (17) Evident, y = 0 este solutie stationara. Pentru y 0, obtinem y = a(x)dx + C 1, unde C 1 este o constanta reala arbitrara. Solutia generala: y = Ce a(x)dx, cu C R. C. Timofte Ecuatii diferentiale 31

Integrala completa: y = C e a(x)dx, C R, y = 0. Daca a : I R este continua, atunci, pentru orice (x 0, y 0 ) I R, exista o solutie unica φ( ) : I R a ecuatiei (17) a.i. φ(x 0 ) = y 0. x a(s)ds x φ(x) = y 0 e 0, x I. Exemplul 1. C. Timofte Ecuatii diferentiale 32

dx = 1 3 Evident, y = 0 este solutie stationara. y sin x. Pentru y 0, 1 y = Ce 3 cos x, C R. Exemplul 2. dx = y 2x x 2 1, x (1, ). y = 0 este solutie stationara. y = C(x 2 1), C R. C. Timofte Ecuatii diferentiale 33

Ecuatii neomogene. Metoda variatiei constantelor. Algoritm. Fie dx 1) Consideram ecuatia omogena: = a(x)y + b(x). (18) cu solutia generala dx = a(x)y, (19) y = Ce a(x)dx. 2) Cautam solutia ecuatiei (18) de forma: y = C(x)e a(x)dx. C. Timofte Ecuatii diferentiale 34

dc dx = a(x)dx b(x)e C(x) = b(x)e a(s)ds dx + K, unde K este o constanta reala arbitrara. y(x) = ( b(x)e a(s)ds dx + K) e a(x)dx. Solutia generala a unei ecuatii liniare neomogene este suma solutiei generale a ecuatiei omogene atasate si a unei solutii particulare a ecuatiei neomogene. Daca y 1 (x) este o solutie particulara a ecuatiei (18), y(x) = y 1 (x) + Ce a(x)dx. C. Timofte Ecuatii diferentiale 35

Exemplul 1. Ecuatia omogena dx are solutia generala = 2y + ln x x ln x, x I R +. dx = 2y x ln x y = C ln 2 x. Cautam solutii de forma y = C(x) ln 2 x. Rezulta: dc dx = 1 x ln 2 x C. Timofte Ecuatii diferentiale 36

C(x) = K 1 ln x. y(x) = ln x + K ln 2 x. Exemplul 2. dx = y x + x cos x. dx = y x y = Cx. MVC: y = C(x)x. C. Timofte Ecuatii diferentiale 37

dc dx = cos x C(x) = sin x + K. y(x) = x(sin x + K). Exemplul 3. Ecuatia omogena x dx + (x + 1)y = 3x2 e x, dx = x + 1 x y x (0, ). C. Timofte Ecuatii diferentiale 38

are solutia generala y = Ce x x. y = C(x) e x x. C(x) = x 3 + K. y(x) = K e x x + x2 e x. Exemplul 4. C. Timofte Ecuatii diferentiale 39

dx = 3 x y + sin x, x (0, π) x3 y(π/2) = 2. y(x) = cos x + C x 3, C R. Ecuatii Bernoulli cos x + π3 y(x) = 4 x 3. dx = a(x)y + b(x)yα, (20) C. Timofte Ecuatii diferentiale 40

unde a, b : I R R sunt functii continue si α R \ {0, 1}. Pentru α = 0, ecuatia (20) este o ecuatie liniara neomogena, iar pentru α = 1, ecuatia (20) este liniara si omogena. Schimbarea de variabila: z = y 1 α (21) ne conduce la dz dx = (1 α)a(x)z(x) + (1 α)b(x). (22) z(x) = ψ(x, C). 1 α y(x) = (ψ(x, C)). 1 C. Timofte Ecuatii diferentiale 41

Este posibil sa utilizam o metoda de tip MVC. Mai precis, cautam solutii de forma y(x) = C(x)e a(x)dx. (23) Rezulta C(x) = φ(x, K), unde K este o constanta reala arbitrara. y(x) = φ(x, K)e a(x)dx. Exemplul 1. 3y 2 dx y3 = x + 1. dx = 1 3 y + x + 1 y 2, 3 adica o ecuatie Bernoulli cu α = 2. C. Timofte Ecuatii diferentiale 42

z = y 3 dz dx = z + x + 1 z(x) = Ce x x 2, C R. y(x) = 3 Ce x x 2. Exemplul 2. dx = 2y tan x + y2, y(π/4) = 2. C. Timofte Ecuatii diferentiale 43

z = 1 y dz dx = 2z tan x 1. z(x) = C cos 2 x sin 2x, C R. 2 1 y(x) = C cos 2 x Din conditia initiala y(π/4) = 2, rezulta sin 2x 2. y(x) = 2 4 cos 2 x sin 2x. C. Timofte Ecuatii diferentiale 44

Ecuatii Riccati dx = a(x) + b(x)y + c(x)y2, (24) unde a, b, c : I R R sunt functii continue date. Fie y 0 (x) o solutie particulara. Schimbarea z(x) = y(x) y 0 (x) ne conduce la o ecuatie de tip Bernoulli: dz dx = (b(x) + 2y 0(x)a(x))z + a(x)z 2. z(x) = ψ(x, C), C R. C. Timofte Ecuatii diferentiale 45

y(x) = y 0 (x) + ψ(x, C). Exemplul 1. Integrati ecuatia dx = y2 sin x + 2 sin x cos 2 x, x (0, π/2), stiind ca admite solutia particulara y 0 (x) = 1 cos x. y(x) = 1 cos x + 1 z(x) dz dx = 2 sin x z + sin x, cos x C. Timofte Ecuatii diferentiale 46

cu solutia generala Deci: z(x) = C cos 2 x cos x 3, C R. y(x) = 1 cos x + 3 cos2 x 3C cos 3 x. Exemplul 2. Integrati ecuatia Riccati: dx = y2 y tan x + 1 cos 2 x, stiind ca admite solutia particulara y 0 (x) = tan x. x (0, π/2), y(x) = tan x + 1 z(x) C. Timofte Ecuatii diferentiale 47

dz dx = z tan x 1 Deci: z(x) = (ln tan x 2 1 tan x +C) cos x, C R. 2 + 1 y(x) = tan x + 1 (ln tan x 2 1 tan x +C) cos x 2 + 1. Ecuatii exacte Fie D R 2 un domeniu si cu P, Q : D R continue si Q(x, y) 0. P (x, y)dx + Q(x, y) = 0, (25) C. Timofte Ecuatii diferentiale 48

Ecuatia (25) s.n. exacta daca exista o functie F : D R, F C 1 (D) a.i. df (x, y) = P (x, y)dx + Q(x, y). (26) F x F y (x, y) = P (x, y), (x, y) = Q(x, y). (27) Daca y(x) este solutie pentru ecuatia (25), atunci df (x, y) = 0. (28) df (x, y(x)) = 0 (29) si F (x, y(x)) = C, C R. (30) C. Timofte Ecuatii diferentiale 49

P y Q (x, y) = (x, y), (x, y) D. (31) x (x,y) (x 0,y 0 ) df = F (x, y) F (x 0, y 0 ). (32) (x,y) df = (x 0,y 0 ) (x,y0 ) = (x 0,y 0 ) Deci: F (x, y) = F (x 0, y 0 ) + (x,y) (x 0,y 0 ) P (x, y 0 )dx + (x,y0 ) (x 0,y 0 ) P (x, y)dx + Q(x, y) = (x,y) (x,y 0 ) P (x, y 0 )dx + Q(x, y). (33) (x,y) (x,y 0 ) Q(x, y). (34) F (x, y) = C. (35) C. Timofte Ecuatii diferentiale 50

Algoritm. 1) Verificam ca ecuatia este exacta. P (x, y)dx + Q(x, y) = 0 2) Scriem sistemul F x F y (x, y) = P (x, y), (x, y) = Q(x, y). (36) 3) Integram sistemul (36) si aflam F (x, y). 4) Solutia generala este data implicit de F (x, y) = C, C. Timofte Ecuatii diferentiale 51

unde C este o constanta reala arbitrara. Exemplul 1. (2x + 3x 2 y)dx + (x 3 3y 2 ) = 0, (x, y) D. P (x, y) = 2x + 3x 2 y, Q(x, y) = x 3 3y 2 P y Q (x, y) = (x, y), (x, y) D. x df (x, y) = P (x, y)dx + Q(x, y). F (x, y(x)) = C, C R. C. Timofte Ecuatii diferentiale 52

F (x, y) = F (x 0, y 0 ) + (x,y0 ) (x 0,y 0 ) (2x + 3x 2 y 0 )dx + (x,y) (x,y 0 ) (x 3 3y 2 ). x 2 + x 3 y y 3 = C. Exemplul 2. (2x y + 1)dx + ( x + 2y 1) = 0, (x, y) D. P (x, y) = 2x y + 1, Q(x, y) = x + 2y 1, P y Q (x, y) = (x, y), (x, y) D. x C. Timofte Ecuatii diferentiale 53

F (x, y(x)) = C, C R. F (x, y) = F (x 0, y 0 )+ (x,y0 ) (x 0,y 0 ) (2x y 0 +1)dx+ (x,y) (x,y 0 ) ( x+2y 1). Factor integrant x 2 xy + y 2 y + x = C. µ : D R \ {0}, µ C 1 (D), (37) df (x, y) = µ(x, y)(p (x, y)dx + Q(x, y)). (38) C. Timofte Ecuatii diferentiale 54

(µ(x, y)p (x, y)) = (µ(x, y)q(x, y)). (39) y x Q (ln µ(x, y))p (x, y) (ln µ(x, y))q(x, y) = y x x P y. (40) Exemplul 1. Integrati urmatoarea ecuatie cautand un factor integrant de forma µ = µ(x): (x 2 y 2 + 1)dx + 2xy = 0, (x, y) D. (µ(x, y)p (x, y)) = (µ(x, y)q(x, y)) y x C. Timofte Ecuatii diferentiale 55

rezulta µ(x) = 1 x 2. x 2 y 2 + 1 x 2 dx + 2y x care este o ecuatie exacta. = 0, x 2 Cx + y 2 1 = 0, C R. Ecuaţii implicite Forma generala a unei ecuatii implicite: unde F : D R 3 R, F C 1 (D). F (x, y, y ) = 0, (41) C. Timofte Ecuatii diferentiale 56

O functie derivabila φ : I R R este solutie a ecuatiei (40) daca (x, φ(x), φ (x)) D, x I si F (x, φ(x), φ (x)) = 0, x I. (42) Ecuatii Lagrange y = x a(y ) + b(y ), unde a, b : I R R, a, b C 1 (I). Notam si diferentiem in raport cu x: y = p xa (p) + b (p) dp dx = p a(p). (43) C. Timofte Ecuatii diferentiale 57

a) Daca p a(p) 0, atunci, considerand x = x(p), obtinem dx dp = a (p) p a(p) x + b (p) p a(p). (44) Aceasta este o ecuatie liniara neomogena, integrabila prin MVC. Astfel, obtinem x = x(p, C), C R si, apoi, y = x a(p) + b(p). Deci, obtinem ecuatiile parametrice ale solutiei generale: x = x(p, C), y = y(p, C). b) Daca p a(p) = 0 si p i sunt radacinile reale ale acestei ecuatii algebrice, atunci y(x) = xa(p i ) + b(p i ) sunt solutii singulare. (45) Exemplul 1. C. Timofte Ecuatii diferentiale 58

Integrati ecuatia Lagrange: y = 2xy + ln y. Notand y = p si diferentiind in raport cu x, obtinem p = 2p + 2x dp dx + 1 p dp dx, p > 0. Solutia generala: dx dp = 2 p x 1 p 2, x(p) = C p 2 1 p, C R. C. Timofte Ecuatii diferentiale 59

x(p) = C p 2 1 p, y(p) = ln p + 2C p 2. Exemplul 2. y = 2xy y 2. y = p p = dp dx (2x 2p). C. Timofte Ecuatii diferentiale 60

Pentru p 0, considerand x = x(p), obtinem cu solutia generala dx dp = 2 p x + 2, x(p) = C p 2 + 2p 3, C R. x(p) = C p 2 + 2p 3, Pentru p = 0, obtinem solutia y = 0. Ecuatii Clairaut y(p) = 2C p + p2 3. C. Timofte Ecuatii diferentiale 61

unde g : I R R, g C 1 (I). y = x y + g(y ), (46) y = p dp dx (x + g (p)) = 0. (47) a) Daca dp dx = 0, atunci p = C si este solutia generala a ecuatiei (45). y(x) = Cx + g(c), C I, (48) C. Timofte Ecuatii diferentiale 62

b) Daca x + g (p) = 0, atunci obtinem solutiile singulare: x(p) = g (p)), y(p) = p g (p)) + g(p). (49) Exemplul 1. Integrati ecuatia Clairaut: y = xy + 1 2y. y = p Rezulta p 0. C. Timofte Ecuatii diferentiale 63

dp dx (x 1 2p 2 ) = 0. a) Daca dp dx = 0, atunci p = C si y(x) = Cx + 1 2C, C I R. b) Daca x 1 = 0, atunci 2p2 x(p) = 1 2p 2, Eliminand p, obtinem y(p) = 1 p. y 2 (x) = 2x. C. Timofte Ecuatii diferentiale 64

Exemplul 2. y = xy + ay 1 + y 2, a > 0 Solutia generala: y = Cx + Ca 1 + C 2, C R. Solutia singulara: a x(p) = (1 + p 2 ), 3/2 y(p) = ap 3 (1 + p 2 ) 3/2. Eliminand parametrul p, obtinem C. Timofte Ecuatii diferentiale 65

care este ecuatia unei astroide. x 2/3 + y 2/3 = a 2/3, Probleme rezolvate 1. Integrati: dx = y(1 y), y(0) = 2. Pentru ca y = 0 si y = 1 nu sunt solutii ale problemei date, separam variabilele: y(1 y) = dx. C. Timofte Ecuatii diferentiale 66

y 1 y = C ex, C R. y(x) = 2 2 e x. 2. Integrati ecuatia dx = 2 y + y2, stiind ca y 0 = 2 este o solutie particulara. y(x) = 2 + 1 u(x) du dx = 3u + 1 C. Timofte Ecuatii diferentiale 67

u(x) = Ce 3x 1 3, C R. y(x) = 1 Ce 3x 1/3 + 2. 3. Dinamica populatiei. a) Modelul exponential. Rata de schimbare este proportionala cu marimea ei la momentul dat. Daca P (t) este populatia la momentul t, avem dp dt = kp, (50) unde k este o constanta data. Pentru k > 0, avem crestere, iar pentru k < 0 avem descrestere. C. Timofte Ecuatii diferentiale 68

Daca impunem conditia initiala P (0) = P 0, obtinem P (t) = P 0 e kt. (51) b) Modelul logistic (Verhulst-Pearl). unde L este o marime limita a populatiei. dp dt = kp (1 P ), (52) L Evident, avem solutiile stationare P = 0 si P = L. Pentru P 0 si P L, separand variabilele si integrand, avem P (t) = LCekt L + Ce kt, C R. (53) C. Timofte Ecuatii diferentiale 69

Daca unde P 0 0 si P 0 L, obtinem P (0) = P 0, Deci, P (t) = LP 0. (54) P 0 + (L P 0 )e kt lim P (t) = L. t 4. Legea lui Newton. Fie T temperatura unui obiect dat la momentul t. Avem dt = k(t S), k > 0, dt unde S este temperatura mediului. Impunem si conditia initiala T (0) = T 0. Rezulta T (t) = S + (T 0 S)e kt. C. Timofte Ecuatii diferentiale 70

T (t 1 ) S T (t 2 ) S = e k(t 1 t 2 ) k(t 1 t 2 ) = ln T (t 1 ) S T (t 2 ) S. Astfel, putem determina constanta k daca stim intervalul t 1 t 2 (si reciproc). Aplicatie: determinarea timpului mortii. Sa presupunem ca un corp omenesc este descoperit intr-o camera de hotel la ora 10 : 00 p.m. si temperatura lui este de 27 C. Temperatura camerei este constanta, 15 C. Doua ore mai tarziu, temperatura corpului a scazut la 24 C. Sa aflam timpul mortii. Determinam intai constanta k. Avem k = 1 2 ln 24 15 27 15 0.14. C. Timofte Ecuatii diferentiale 71

Temperatura normala a unei persoane sanatoase este de 36.6 C. Atunci: t d = 1 k ln 36.6 15 27 15 4.21 ore, ceea ce inseamna ca moartea s-a produs in jurul orei 5 : 48 p.m. C. Timofte Ecuatii diferentiale 72