I N Ž E N J E R S K A M A T E M A T I K A 2. Glava IV : DIFERENCIJALNE JEDNAČINE PRVOG REDA

Σχετικά έγγραφα
3.1 Granična vrednost funkcije u tački

SISTEMI NELINEARNIH JEDNAČINA

Pismeni ispit iz matematike Riješiti sistem jednačina i diskutovati rješenja sistema u zavisnosti od parametra: ( ) + 1.

Pismeni ispit iz matematike GRUPA A 1. Napisati u trigonometrijskom i eksponencijalnom obliku kompleksni broj, zatim naći 4 z.

Osnovne teoreme diferencijalnog računa

PRAVA. Prava je u prostoru određena jednom svojom tačkom i vektorom paralelnim sa tom pravom ( vektor paralelnosti).

Riješeni zadaci: Limes funkcije. Neprekidnost

Cauchyjev teorem. Postoji više dokaza ovog teorema, a najjednostvniji je uz pomoć Greenove formule: dxdy. int C i Cauchy Riemannovih uvjeta.

Funkcije dviju varjabli (zadaci za vježbu)

ELEKTROTEHNIČKI ODJEL

18. listopada listopada / 13

4.7. Zadaci Formalizam diferenciranja (teorija na stranama ) 343. Znajući izvod funkcije x arctg x, odrediti izvod funkcije x arcctg x.

Elementi spektralne teorije matrica

Ispitivanje toka i skiciranje grafika funkcija

M086 LA 1 M106 GRP. Tema: Baza vektorskog prostora. Koordinatni sustav. Norma. CSB nejednakost

INTEGRALNI RAČUN. Teorije, metodike i povijest infinitezimalnih računa. Lucija Mijić 17. veljače 2011.

TRIGONOMETRIJSKE FUNKCIJE I I.1.

2 tg x ctg x 1 = =, cos 2x Zbog četvrtog kvadranta rješenje je: 2 ctg x

Operacije s matricama

a M a A. Može se pokazati da je supremum (ako postoji) jedinstven pa uvodimo oznaku sup A.

APROKSIMACIJA FUNKCIJA

Matematička analiza 1 dodatni zadaci

Fakultet tehničkih nauka, Softverske i informacione tehnologije, Matematika 2 KOLOKVIJUM 1. Prezime, ime, br. indeksa:

1.4 Tangenta i normala

5 Ispitivanje funkcija

Osnovni primer. (Z, +,,, 0, 1) je komutativan prsten sa jedinicom: množenje je distributivno prema sabiranju

Neka je a 3 x 3 + a 2 x 2 + a 1 x + a 0 = 0 algebarska jednadžba trećeg stupnja. Rješavanje ove jednadžbe sastoji se od nekoliko koraka.

PARCIJALNI IZVODI I DIFERENCIJALI. Sama definicija parcijalnog izvoda i diferencijala je malo teža, mi se njome ovde nećemo baviti a vi ćete je,

I N Ž E N J E R S K A M A T E M A T I K A 2. P r e d a v a n j a z a d r u g u s e d m i c u n a s t a v e (u akademskoj 2008/2009.

radni nerecenzirani materijal za predavanja R(f) = {f(x) x D}

DISKRETNA MATEMATIKA - PREDAVANJE 7 - Jovanka Pantović

UNIVERZITET U NIŠU ELEKTRONSKI FAKULTET SIGNALI I SISTEMI. Zbirka zadataka

2. Ako je funkcija f(x) parna onda se Fourierov red funkcije f(x) reducira na Fourierov kosinusni red. f(x) cos

IZVODI ZADACI (I deo)

Teorijske osnove informatike 1

1.2. Funkcije više realnih promjenljivih opšta svojstva i predstavljanje

9. GRANIČNA VRIJEDNOST I NEPREKIDNOST FUNKCIJE GRANIČNA VRIJEDNOST ILI LIMES FUNKCIJE

IspitivaƬe funkcija: 1. Oblast definisanosti funkcije (ili domen funkcije) D f

π π ELEKTROTEHNIČKI ODJEL i) f (x) = x 3 x 2 x + 1, a = 1, b = 1;

( , treći kolokvij) 3. Na dite lokalne ekstreme funkcije z = x 4 + y 4 2x 2 + 2y 2 3. (20 bodova)

IZVODI ZADACI ( IV deo) Rešenje: Najpre ćemo logaritmovati ovu jednakost sa ln ( to beše prirodni logaritam za osnovu e) a zatim ćemo

( ) ( ) 2 UNIVERZITET U ZENICI POLITEHNIČKI FAKULTET. Zadaci za pripremu polaganja kvalifikacionog ispita iz Matematike. 1. Riješiti jednačine: 4

Linearna algebra 2 prvi kolokvij,

Numerička matematika 2. kolokvij (1. srpnja 2009.)

(P.I.) PRETPOSTAVKA INDUKCIJE - pretpostavimo da tvrdnja vrijedi za n = k.

Iskazna logika 3. Matematička logika u računarstvu. novembar 2012

Linearna algebra 2 prvi kolokvij,

MATERIJAL ZA VEŽBE. Nastavnik: prof. dr Nataša Sladoje-Matić. Asistent: dr Tibor Lukić. Godina: 2012

( x) ( ) ( ) ( x) ( ) ( x) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Trigonometrija 2. Adicijske formule. Formule dvostrukog kuta Formule polovičnog kuta Pretvaranje sume(razlike u produkt i obrnuto

DIFERENCIJALNE JEDNAČINE

Zadaci iz Osnova matematike

Dijagonalizacija operatora

Kontrolni zadatak (Tačka, prava, ravan, diedar, poliedar, ortogonalna projekcija), grupa A

Funkcija gustoće neprekidne slučajne varijable ima dva bitna svojstva: 1. Nenegativnost: f(x) 0, x R, 2. Normiranost: f(x)dx = 1.

7 Algebarske jednadžbe

Ispit održan dana i tačka A ( 3,3, 4 ) x x + 1

Dužina luka i oskulatorna ravan

Zavrxni ispit iz Matematiqke analize 1

Dvanaesti praktikum iz Analize 1

DIFERENCIJALNE JEDNADŽBE

Zadaci sa prethodnih prijemnih ispita iz matematike na Beogradskom univerzitetu

1 Promjena baze vektora

1 Obične diferencijalne jednadžbe

16 Lokalni ekstremi. Definicija 16.1 Neka je A R n otvoren, f : A R i c A. Ako postoji okolina U(c) od c na kojoj je f(c) minimum

ELEMENTARNE FUNKCIJE dr Jelena Manojlović Prirodno-matematički fakultet, Niš

Prvi kolokvijum. y 4 dy = 0. Drugi kolokvijum. Treći kolokvijum

8 Funkcije više promenljivih

MATEMATIKA 2. Grupa 1 Rexea zadataka. Prvi pismeni kolokvijum, Dragan ori

Glava 1. Realne funkcije realne promen ive. 1.1 Elementarne funkcije

Uvod u teoriju brojeva

MATRICE I DETERMINANTE - formule i zadaci - (Matrice i determinante) 1 / 15

Riješeni zadaci: Nizovi realnih brojeva

DRUGI KOLOKVIJUM IZ MATEMATIKE 9x + 6y + z = 1 4x 2y + z = 1 x + 2y + 3z = 2. je neprekidna za a =

6 Polinomi Funkcija p : R R zadana formulom

4 Izvodi i diferencijali

Kaskadna kompenzacija SAU

(y) = f (x). (x) log ϕ(x) + ψ(x) Izvodi parametarski definisane funkcije y = ψ(t)

Jednodimenzionalne slučajne promenljive

Otpornost R u kolu naizmjenične struje

Apsolutno neprekidne raspodele Raspodele apsolutno neprekidnih sluqajnih promenljivih nazivaju se apsolutno neprekidnim raspodelama.

DOMAĆA ZADAĆA 5. /Formulacije i rješenja zadataka/ - INŽENJERSKA MATEMATIKA 1 ak. 2009/2010. Selma Grebović. Sarajevo, Decembar 2009.

ELEMENTARNE FUNKCIJE

- pravac n je zadan s točkom T(2,0) i koeficijentom smjera k=2. (30 bodova)

Više dokaza jedne poznate trigonometrijske nejednakosti u trokutu

SOPSTVENE VREDNOSTI I SOPSTVENI VEKTORI LINEARNOG OPERATORA I KVADRATNE MATRICE

I N Ž E N J E R S K A M A T E M A T I K A 1. P r e d a v a n j a z a d e v e t u s e d m i c u n a s t a v e (u akademskoj 2009/2010.

PRVI IZVOD. f x0 x f x0. y x. ) lim lim ( ) ( ) x. Neka je y f(x) funkcija definisana na intervalu [a,b], x 0

5. Karakteristične funkcije

Geometrija (I smer) deo 1: Vektori

Obične diferencijalne jednadžbe 2. reda

Determinante. a11 a. a 21 a 22. Definicija 1. (Determinanta prvog reda) Determinanta matrice A = [a] je broj a.

KVADRATNA FUNKCIJA. Kvadratna funkcija je oblika: Kriva u ravni koja predstavlja grafik funkcije y = ax + bx + c. je parabola.

Sume kvadrata. mn = (ax + by) 2 + (ay bx) 2.

radni nerecenzirani materijal za predavanja

dr L. Stefanović, mr M. Matejić, dr S. Marinković DIFERENCIJALNE ZA STUDENTE TEHNIČKIH FAKULTETA SKC Niš, 2006.

Klasifikacija blizu Kelerovih mnogostrukosti. konstantne holomorfne sekcione krivine. Kelerove. mnogostrukosti. blizu Kelerove.

LINEARNA ALGEBRA 1, ZIMSKI SEMESTAR 2007/2008 PREDAVANJA: NENAD BAKIĆ, VJEŽBE: LUKA GRUBIŠIĆ I MAJA STARČEVIĆ

IZRAČUNAVANJE KONAČNIH SUMA METODIMA DIFERENTNOG RAČUNA

RIJEŠENI ZADACI I TEORIJA IZ

Transcript:

I N Ž E N J E R S K A M A T E M A T I K A 64 Glava IV : DIFERENCIJALNE JEDNAČINE PRVOG REDA 4 Osnovni pojmovi Činjenica da se mnogi zakoni fizike i drugih nauka iskazuju uz pomoć diferencijalnih jednačina ukazuje na fundamentalnu ulogu koju teorija diferencijalnih jednačina ima u nauci i tehnici Teorija diferencijalnih jednačina je jedna od najopsežnijih i najtežih matematskih disciplina Iz klase poznatih diferencijalnih jednačina izdvojimo Thomas Fermijevu diferencijalnu jednačinu koja glasi: 3 [ ( ) ] ' '( ) =, koja je linearna diferencijalna jednačina i koja se pojavljuje pri izračunavanju distribucije elektrona u atomima Mnoge diferencijalne jednačine su izvor za elementarne i neelementarne funkcije Tako je, npr, '' + λ = 0 (λ R) izvor za trigonometrijske funkcije i hiperbolne funkcije, te jednačina ' = je izvor za eksponencijalne funkcije, itd Intuitivno se pojam predikata često definira kao izraz ili smislena deklarativna rečenica koja sadrži jedan ili više parametara i koji postaje logički iskaz ako svaki od tih parametara poprimi određenu vrijednost Ako je P predikat i za svaki, P() je novi predikat, pri čemu P nema drugih parametara, onda je P () tačan iskaz za svaki Analogno vrijedi i za kvantifikator egzistencije Posmatrajmo izraze f () i g () u istoj brojevnoj oblasti (ili u opštijem skupu) varijable u kojoj su oba izraza definirana Definicija 4 Predikat oblika f () = g () zovemo jednačina (jedne nepoznate ) Svaka vrijednost : = a za koju predikat f () = g () postaje tačan iskaz, tj tačna brojevna jednakost f (a) = g (a), zove se rješenje jednačine f () = g () Rješenje mora pripadati domenu jednačine (presjek domena od f () i g ()) Analogno se definira pojam jednačine sa više nepoznatih, ali i pojmovi jednačine više nepoznatih u nekom uređenom skupu gdje imaju smisla relacije <,, >, Definicija 4 Za jednačine J i J kažemo da su u nekoj brojevnoj oblasti ekvivalentne ako su im sva rješenja na toj oblasti zajednička, tj one su ekvivalentne na posmatranoj oblasti ako je svako rješenje jednačine J iz te oblasti rješenje jednačine J (Tada kažemo da je jednačina J posljedica jednačine J i obrnuto) 4 Pojam diferencijalne jednačine i ostali važniji pojmovi Definicija 43 Diferencijalnom jednačinom naziva se svaka jednačina u kojoj se kao nepoznata javlja funkcija jedne ili više promjenljivih zajedno sa svojim izvodima i / ili diferencijalima Ako je nepoznata funkcija funkcijaod dvije ili više promjenljivih, onda se diferencijalna jednačina naziva parcijalnom diferencijalnom jednačinom, dok u slučaju funkcije jedne promjenljive diferencijalna jednačina se naziva običnom diferencijalnom jednačinom Definicija 44 Redom diferencijalne jednačine naziva se red najvišeg izvoda (odnosno red najvišeg diferencijala) koji figurira u jednačini Opšti oblik obične diferencijalne jednačine n tog reda je F(,, ',, (n) ) = 0, (4) pri čemu je F zadana funkcija promjenljivih,, ',, (n) (odnosno,, d,, d n )

Specijalno, opšti oblik diferencijalne jednačine prvog reda (tj za n = ) je: F(,, ') = 0 (4) Ograničit ćemo se na diferencijalnu jednačinu oblika (4), koja se može riješiti po izvodu ' u obliku ' = f (, ), (43) pri čemu je f neprekidna funkcija svojih argumenata ( f (, ) može imati smo oblik ϕ (), ψ ( ) ili može biti f (, ) C) Definicija 45 Za funkciju = ϕ () koja je definirana na razmaku a, b (konačnom ili beskonačnom) kažemo da je rješenje diferencijalne jednačine (4) na tom razmaku ako ona ima sve izvode zaključno do reda n i ako uvrštavanjem izraza funkcije ϕ () i njenih izvoda u jednačinu (4), jednačina (4) postaje identitet na tom razmaku Riješiti (integrirati) jednačinu (4) znači naći sva njena rješenja Ako je () rješenje jednačine (4), onda se često kaže da je = () integralna kriva jednačine (4) Diferencijalna jednačina prvog reda data sa (4) ili (43) ima familiju rješenja u opštem slučaju (jednoparametarsku familiju) koja sadrži proizvoljnu realnu konstantu C, tj to je familija oblika = ϕ (, C) (43)' Definicija 46 Familija funkcija data sa (43)', kada sadrži sva rješenja jednačina (4) ili (43), naziva se opštim rješenjem (opštim integralom) te jednačine Definicija 47 Kada u opštem rješenju konstanta C poprimi neku određenu vrijednost, tada se to rješenje naziva partikularno rješenje (partikularni integral) Ako iz opšteg rješenja treba izvojiti partikularno rješenje, koje za = 0 uzima vrijednosti 0 = = ( 0 ), kažemo da su zadani početni uslovi i pišemo: = = 0 ili ( 0 ) = 0 (44) 0 Najvažnije pitanje vezano za diferencijalnu jednačinu (43) je pitanje postojanja i jedinstvenosti partikularnog rješenja za date početne uslove (Cauchjev problem) Na ovo pitanje daje odgovor sljedeća teorema koju navodimo bez dokaza Teorema 4 (O postojanju i jedinstvenosti rješenja diferencijalne jednačine prvog reda) Neka je u jednačini (43) sa početnim uslovom (44): a) funkcija f (, ) neprekidna u pravougaoniku D datom sa D = {(, ) R : 0 a 0 b }; b) funkcija f (, ) u pravougaoniku D zadovoljava Lipschitzov uslov : f (, ) f (, ) k, k R + Tada postoji jedinstveno rješenje jednačine (43) na segmentu [ 0 h, 0 + h] koje zadovoljava početne uslove (44), pri čemu je 0 < h < min {a, M b, k } (M R + ) takav da je f (, ) M na D ((, ) D jer je f (,) na zatvorenoj i ograničenoj oblasti D ograničena funkcija) Tvrdnja 4 Klasa funckija f (, ) koja ima ograničen po modulu izvod ( f '(, ) ) na pravougaoniku D zadovoljava Lipschitzov uslov na tom pravougaoniku Dokaz: Prema Lagrangeovoj teoremi za realne funkcije jedne realne promjenljive važi: f (b) f (a) = (b a) f '(c), a < c < b Dakle, važi jednakost f (, ) f (, ) = ( ) f '(, + θ ( )), 0 < θ <, za svaki, iz odgovarajućeg segmenta Iz posljednje relacije, zbog pretpostave da je f ' k, k > 0, dobijemo da vrijedi 65

čime je tvrdnja 4 dokazana f (, ) f (, ) k, 66 Napomenimo da Lipschitzov uslov obuhvata širu klasu funkcija f (, ) koje se pojavljuju na desnoj strani jednačine (43), jer taj uslov može biti zadovoljen i tamo gdje parcijalni izvod f ' ne postoji Tako, npr, funkcija zadana izrazom ' = f (, ) = nema parcijalni izvod f ' u tački (0, 0) (tačka (0, 0) je ugaona /prelomna/ tačka) No, ipak, u nekom pravougaoniku koji u svojoj unutrašnjosti sadrži tačku (0, 0) vrijedi Lipshitzov uslov, tj f (, ) f (, ), pri čemu je k = Svako rješenje = ϕ () jednačine (43) se može geometrijski interpretirati u obliku grafika funkcije ϕ () Geometrijska interpretacija teoreme 4 sastoji se u tome da kroz svaku tačku ( 0, 0 ) prolazi jedna i samo jedna integralna kriva diferencijalne jednačine (43) Neka su u svakoj tački oblasti G( R ) zadovoljeni uslovi teoreme 4 Tada kroz svaku tačku (, ) skupa G prolazi prava čiji je koeficijent smjera jednak f (, ) Tako dobijemo tzv polje smjerova posmatrane diferencijalne jednačine na oblasti G, što predstavlja geometrijske interpretacije diferencijalne jednačine Geometrijska interpretacija rješenja te jednačine je u tome da proizvoljnu integralnu krivu =ϕ () u svakoj njenoj tački dodiruje prava iz polja smjerova koja prolazi kroz tu tačku Definicija 48 Geometrijsko mjesto tačaka polja smjerova u oblasti G sa istim koeficijentom smjera naziva se izoklina Jednačina izokline dobije se iz jednačine (43) stavljanjem f (, ) = k, gdje je k parametar Dajući parametru k vrijednosti, dobijemo familiju izoklina posmatrane diferencijalne jednačine (43) 4 Zavisnost rješenja diferencijalne jednačine od početnih uslova desne strane diferencijalne jednačine prvog reda riješene po izvodu Vezano za zavisnost rješenja od početnih vrijednosti promjenljivih argumenata i desne strane diferencijalne jednačine (43) navodimo sljedeće dvije teoreme Teorema 4 (O glatkosti rješenja diferencijalne jednačine (43)) Ako funkcija f (, ) u nekoj okolini tačke ( 0, 0 ) ima neprekidne parcijalne izvode po i do reda p (p > 0), onda svako rješenje jednačine (43) u okolini tačke ( 0, 0 ) ima neprekidne izvode po do (p + ) og reda Dokaz: Neka je () rješenje diferencijalne jednačine (43) koje prolazi kroz tačku ( 0, 0 ) Tada važi identitet: '() f (, ()) (*) u nekoj okolini tačke ( 0, 0 ) Kako funkcija () zadovoljava jednakost (*), to ona ima izvod po, pa je neprekidna funkcija Kako je f (, ) neprekidna funkcija po i, to je i f (, ()) neprekidna funkcija po (kao složena funkcija neprekidnih funkcija), pa je i '() neprekidna funkcija Ne umanjujući opštost, pretpostavimo da je p = Tada desna strana identiteta (*) ima neprekidan izvod po Tada '() iz jednakosti (*) ima neprekidan izvod po, tj funkcija () ima neprekidan izvod drugog reda data sa f f ' '' = +, čime je teorema 4 dokazana

67 Teorema 43 Ako je funkcija f (, ) neprekidna i ograničena na nekoj oblasti D i ako kroz svaku tačku (, ) D prolazi rješenje jednačine (43), onda to rješenje ne zavisi od funkcije f (, ) i tačke (, ) Primjer 4 Odredite polje smjerova diferencijalne jednačine zadane izrazom ' = Rješenje: Jednačina tražene familije izoklina data je sa = k, tj = k Za k = 0 izoklina se poklapa sa osom O i u njenim tačkama je polje smjerova paralelno osi O Za k = dobijemo izoklinu = u čijim tačkama polje smjerova obrazuje sa osom O ugao od 45 Ako zadamo tačku M(, 3) možemo približno konstruisati integralnu krivu koja prolazi kroz tu tačku (v sl 4) Primjećujemo da je to parabola koja je ujedno i rješenje zadane diferencijalne jednačine Sl 4 4 Osnovne diferencijalne jednačine prvog reda Diferencijalne jednačine prvog reda su: I Diferencijalne jednačine sa razdvojenim promjenljivim ima oblik ' = f (, ) Primjer 4 Naći opšte rješenje jednačine ' + = Rješenje: Iz zadane diferencijalne jednačine imamo ' = ( ) d = d ( ) + d = d ( ) d ( ) ln ln = ln e ln = ln C e d = ( ) = ± C e S obzirom na to da C može da bude ma koji realan broj različit od nule, onda možemo pisati = + Ce, tj = + Ce + ln C + ln C II Homogena diferencijalna jednačina ima oblik ' = ϕ i ona se pomoću smjene = u, gdje je u nova nepoznata funkcija od, transformira u diferencijalnu jednačinu sa razdvojenim promjenljivim Možemo takođe primijeniti i smjenu = u

Primjer 4 Naći opšte rješenje jednačine ' = e + Rješenje: Stavimo = u, pa ćemo dobiti u + u ' = e u + u ili e u d du = Integriranjem dobivamo u = ln ln C, odakle je 68 = ln ln C III Linearna diferencijalna jednačina prvog reda ima oblik A() ' + B() + C() = 0, gdje su A(), B() i C() zadane funkcije od na razmaku a, b Za A() 0 imamo ' + P() = Q() Ovo je nehomogena linearna diferencijalna jednačina prvog reda čije je opšte rješenje dato sa ( ) ( ) = e P d P d ( C + Q( ) e d) Za Q() 0 imamo homogenu linearnu diferencijalnu jednačinu prvog reda čije je opšte rješenje = C e P( ) d Primjer 43 Riješimo jednačinu ' tg = cos Rješenje: Pripadna homogena jednačina je ' tg =0 Rješavanjem te jednačine dobivamo: = C cos Smatrajući C funkcijom od, deriviranjem nalazimo da je dc ' = + sin cos d cos Uvrštavanjem i ' u zadanu diferencijalnu jednačinu dobijemo: dc + sin C C = tg + cos, ili cos d cos cos odakle je C() = cos d = sin + C + 4 Iz toga slijedi da opšte rješenje zadane difrerencijalne jednačine glasi: = + sin + C 4 cos IV Bernoullijeva diferencijalna jednačina ima oblik C dc = cos, d ' + P() = Q() α, pri čemu su P() i Q() zadane funkcije od na razmaku a, b, α R Za α = 0 imamo linearnu nehomogenu diferencijalnu jednačinu, a za α = imamo linearnu homogenu diferencijalnu jednačinu Za α 0 i α Bernoullijeva jednačina se rješava smjenom z = α, tako da se dobije linearna jednačina prvog reda dz + P( ) z = W ( ) α d Možemo takođe primijeniti smjenu = u v ili metodu varijacije konstanti

Primjer 44 Riješiti jednačinu ' + ln = 0 69 Rješenje: Uvodeći smjenu z = α, zadana diferencijalna jednačina se svodi na lineranu jednačinu U ovom slučaju je α =, pa se dobije ln z' z = Biće d d ln ln z = e C = e d C d Zbog proizvoljnosti konstante C možemo pisati ln z = C d Parcijalnom integracijom iz posljednje jednakosti se dobije z = C + + ln Kako je z = to dobijemo da je opšte rješenje zadane jednačine dato sa: = C + + ln V Riccatijeva diferencijalna jednačina ima oblik ' + P() + Q() = f (), pri čemu su P(), Q() i f () zadane neprekidne funkcije od na razmaku a, b Za P() 0 na razmaku a, b Riccatijeva jednačina prelazi u Bernoullijevu, a za Q() 0 na razmaku a, b Riccatijeva jednačina prelazi u linearnu nehomogenu diferencijalnu jednčinu Riccatijeva diferencijalna jednačina u okolini ( 0, 0 ) ( 0 a, b, 0 R) zadovoljava uslove o egzistenciji i jedinstvenosti rješenja i ne može se riješiti običnom integracijom, ali ako se zna jedan partikularni integral (), onda se Riccatijeva jednačina svodi na Benoullijevu jednačinu smjenom () = () + z() Primjer 45 Naći opšti integral jednačine ' ( sin cos ) + cos + sin = 0 ako je njen partikularni integral = cos Rješenje: Opšte rješenje nalazimo uvođenjem smjene = + z = cos + z, (*) pri čemu je z = z () Uvrštavajući izraze za i ' iz (*) u datu jednačinu dobija se cos z' + z = cos (**) sin cos sin cos To je linearna jednačina po z, pa je cos cos d cos d sin cos sin cos z = e C + e d sin cos Kako je cos cos I = d = d, sin cos sin smjenom sin = t dobija se dt I = = ln t = ln( sin ) t Opšte rješenja jednačine (**) je C + sin z =, sin odakle je + C cos = C + sin

VI Diferencijalna jednačina totalnog diferencijala ima oblik 70 M(, ) d + N(, ) d = 0 (*) u(, ) u(, ) Ovo je jednačina totalnog diferencijala ako vrijedi da je M =, N = u kom slučaju je opšte rješenje dato sa u(, ) = C Potreban i dovoljan uslov da lijeva strana jednačine (*) bude jednačina totalnog diferencijala glasi: M (, ) N(, ) = na posmatranoj oblasti Ako je posljednji uslov ispunjen, onda se odatle lako odredi u(, ) uzastopnom integracijom Ako lijeva strana u (*) nije totalni diferencijal od u (, ), a ima opšti integral, množeći je sa integralnim faktorom µ(, ) dobijemo: u u µ (M d + N d) = u, tj µ M =, µ N = Dobijena jednačina je parcijalna diferencijalna jednačina i složenija je od (*) No, u praksi je dovoljno naći samo jedan integralni faktor µ = µ (), µ = µ () ili opštije ω(, ) Tada se dobije izraz: M N µ' = µ ω ω N M, µ ( ω) pri čemu je µ ' = ω Ako je ω(, ), onda treba da izraz M N N bude samo funkcija od Primjer 46 Pokazati da diferencijalna jednačina ( m + ) d d = 0 ima integracioni faktor oblika µ = µ () i naći njen opšti integral M(, ) N(, ) Rješenje: Uslov = (M = m +, N = ), nije ispunjen, pa zato tražimo M N integracioni faktor jednačine Kako je =, to je moguće naći µ = µ () Dobija se N dµ µ ' d = =, odakle je µ = Sada treba integrirati jednačinu totalnog diferencijala µ µ ( m + ) d d = 0 Opšti integral je m = C ( m ), odnosno ln = C ( m = ) m Osim navedenih jednačina interesantno je posmatrati jednačine F(,, ') = 0 koje nije moguće riješiti po izvodu Postoje pogodnije metode za rješavanje ovakvih jednačina u odnosu na prethodno navedene metode Specijalni slučajevi su: VII Lagrangeova diferencijalna jednačina ima oblik = ϕ ( ' ) + ψ ( ' ), pri čemu su ϕ i ψ diferencijalne funkcije na nekom razmaku Primjer 47 Riješiti sljedeću jednačinu = ' + ' 3

7 Rješenje: Diferenciranjem zadane jednačine se dobija ' d = ' d + ' d ' + 3 ' d ' Stavljajući ' = p dobijamo p d = p d + p dp + 3 p dp, tj ( p p ) d = ( p + 3 p ) dp () Za p p 0 iz () slijedi d p 3 p = + () dp p p p p Rješenje linearne jednačine () je 3 p + 3p + C =, (3) ( p ) dok je iz polazne jednačine (za ' = p) = p + p 3 (4) Sa (3) i (4) dato je opšte rješenje polazne jednačine u parametarskom obliku Za p p = 0 dobija se p = 0 i p = To su takođe rješenja jednačine () Za slučaj p = 0, iz (3) se dobija = C, a iz (4) = 0 Dakle, = 0 je singularno rješenje date jednačine Za slučaj p =, iz (3) se dobija (za C ), a iz (4) = + Rješenje = + je asimptotsko, tj prava = + je asimptota krivih datih opštim integralom (3) i (4) VIII Clairautova diferencijalna jednačina je specijalni oblik Lagrengeove diferencijalne jednačine i ima oblik = ' + ψ( ') ' te se rješava uvođenjem smjene ' = p Tada imamo da je dp ( + ψ ' (p)) = 0 Ako uzmemo da je dp = 0, onda je opšti integral dat sa = C + ψ (C) No, ako uzmemo da je + ψ ' (p) = 0, onda dobijemo rješenje koje se ne može dobiti iz opšteg i ono se naziva singularno rješnje, a predstavlja ovojnicu Definicija 4 Ovojnica familije krivih u ravni data jednačinom φ (,, C) = 0 (*) je kriva koja u svakoj tački dodiruje krivu te familije φ Ako u (*) eliminiramo C, onda zajedno sa = 0, ona predstavlja jednačinu ovojnice familije C krivih Primjer 48 Riješiti jednačinu = ' + ' Rješenje: Diferenciranjem, nakon smjene ' = p, slijedi dp ( + p) = 0 d Nastupaju slučajevi dp = 0, tj p = C, + p = 0, tj p = + d Za slučaj iz diferencijalne jednačine dobija se opšti integral = C + C C Za slučaj dobija se singularni integral ( + ) + + = + = ( + ) 4

43 Metod uzastopnih aproksimacija Banachova teorema o nepokretnoj tački 7 43 Operatori u metričkim prostorima Definicija 43 Neka su (X, d ) i (Y, ρ) metrički prostori i neka je D podskup skupa X Preslikavanje A : D Y često se naziva i operatrom i piše A = umjesto A() = za D, Y Ovdje je operator definiran preko pojma preslikavanja No, on se može i neposredno definirati, pa imamo sljedeću definiciju: Definicija 43 Ako svakoj tački D, po određenom zakonu koresponedencije, odgovara tačka Y, onda kažemo da je na skupu D zadan operator u metričkom prostoru Y (D X) Ako operator označimo sa A, onda je = A ( D, Y) Napomenimo da se operator nekad definira kao preslikavanje vektorskog prostora X u vektorski prostor Y Definicija 433 Operator definiran na nekom skupu metričkog prostora, čije su vrijednosti realni ili kompleksni brojevi, naziva se funkcional Definicija 434 Operator A koji preslikava D( X) u metričkom prostoru Y je neprekidan u 0 D ako za proizvoljan niz ( n ) ( n D, n N) vrijedi da iz n 0 (n ) imamo A n A 0 Definicija 434 se može iskazati i na sljedeći način: Definicija 434' Kažemo da je operator A neprekidan u tački 0 D ako za svaki ε > 0 postoji broj δ (=δ (ε)) > 0 takav da za D za koji je d(, 0 ) < δ važi nejednakost d(a, A 0 ) < ε Navedena definicija 434' važi i za funkcional Definicija 435 Za operator A kažemo da je linearan ako je D( X) lienaran skup i ako za sve, D i α, β R važi da je A(α + β ) = α A + β A Tvrdnja 43 Ako je linearni operator A : D Y neprekidan u tački 0 D, onda je on i neprekidan na skupu D Dokaz: Neka je ' D proizvoljna tačka i neka je niz ( n ) ( n D) takav da je n ' (n ) Tada je zbog linearnosti operatora moguće praviti razliku A n A ' = A ( n ' + 0 ) + A 0 Kako n ' (n ) i kako je operator neprekidan u 0, to A( n ' + 0 ) A 0 (n ), tj A n A ' (n ), ' D Dakle, dobili smo da je operator A neprekidan na cijelom skupu D, jer je neprekidan u ', a ' je proizvoljna tačka Ovim je dokaz tvrdnje 43 završen Definicija 436 Neka su X i Y normirani prostori i neka je A linearan operator iz X u Y sa domenom D( X) Kažemo da je operator A ograničen ako postoji konstanta M 0 takva da je A M, D Tvrdnja 43 Da bi linearni operator, čije je definiciono područje skup D, iz normiranog vektorskog prostora X u normirani vektorski prostor Y bio neprekidan potrebno je i dovoljno da bude ograničen

43 Nepokretne tačke Metod uzastopnih aproksimacija 73 Neka je A : D Y, (D X, X i Y metrički prostori) zadan operator Ako je zadan element Y, onda se jednačina A = može posmatrati kao jednačina po nepoznatoj U slučaju kada su elementi X i Y neke funkcije, onda se jednačina A = naziva funkcionalnom jednačinom Definicija 437 Ako je A operator koji preslikava metrički prostor X u taj isti prostor, onda se tačka X u jednačini A = naziva nepokretna (fiksna) tačka operatora A Izraz A = treba posmatrati kao jednačinu, a rješenje treba predstavljati metodu nalaženja nepokretne tačke za čiji se nalazak koristi metod uzastopnih aproksimacija Pretpostavimo da je operator A zadan na zatvorenom skupu D (D X, (X, d) metrički prostor), te da je operator A neprekidan i da važi A D Uzmimo proizvoljnu tačku 0 D i označimo sa izaz = A 0 Pretpostavimo da je 0 i obilježimo A sa, tj A =, te ponovimo isti postupak Neka je i produžavajući ovaj proces beskonačan broj puta dobijemo da je A n = n+ (n = 0,, ) (*) Za ovako dobijen niz ( n ) ( n D) pretpostavimo da konvergira ka nekom * X, tj * = lim n U tom slučaju kažemo da posmatrani proces konvergira, a * D Kako je po pretpostavci A neprekidan operator, to iz relacije (*) prelaskom na graničnu vrijednost dobijemo A * = *, pa je * nepokretna tačka operatora A Prirodno se postavljaju pitanja da li dobiveni niz ( n ) konevrgira ka nepokretnoj tački *, da li ta konvergencija zavisi od izbora 0 ili da li treba staviti neko ograničenje i da li je * jednoznačno određeno Tačke n, koje se mogu odrediti ako je operator A zadan na konkretnom prostoru, predstavljaju tačke niza koje se približavaju * Tada iz * : = lim n n slijedi da za proizvoljan broj ε > 0 postoji broj N = N(ε) takav da je d ( n, * ) < ε, n > N Dakle, konvergencija postupka znači da odstupanje tačaka n od tačke * možemo odrediti do na proizvoljan broj ε > 0 433 Operator stegnutog preslikavanja Definicija 438 Operator A : D Y, (D X), gdje su (X, d ) i (Y, ρ) metrički prostori, naziva se operator kontrakcije (stegnutog preslikavanja) ako postoji 0 < α < tako da za proizvoljne tačke, D važi ρ (A, A ) α d(, ) Tvrdnja 433 Operator A : D Y, (D X), gdje su (X, d ) i (Y, ρ) metrički prostori, koji je operator stegnutog preslikavanja je neprekidan na skupu D Dokaz: Neka je 0 D proizvoljan element i neka niz ( n ) ( n D, n N) konvergira ka 0 tada iz nejednakosti 0 ρ (A n, A 0 ) α d( n, 0 ) slijedi da A n A 0 Sljedeću teoremu navodimo bez dokaza Teorema 43 (Banachov stav o nepokretnoj tački) Ako je A operator stegnutog preslikavanja koji preslikava poptun metrički prostor (X, d ) u samog sebe, onda on ima jedinstvenu nepokretnu tačku i tu tačku možemo dobiti metodom uzastopnih aproksimacija pri proizvoljnoj tački 0 X U literaturi se navode i ove teoreme koje daju samo dovoljne uslove o postojanju i egzistenciji jedinstvenog rješenja diferencijalne jednačine, jer postoje primjeri diferencijalnih jednačina prvog reda n

74 koje imaju jedinstveno rješenje i zadovoljavaju početni uslov, a da su narušeni uslovi o egzistenciji jedinstvenog rješenja Teorema 43 (Peanova teorema) Neka je data diferencijalna jednačina ' = f (, ) Ako je funckija f definirana i neprekidna na pravougaoniku D datom sa D : 0 a, 0 b (a, b > 0), onda jednačina ' = f (, ) ima bar jedno rješenje = () koje zadovoljava početne uslove = 0 za = 0, definirano (i neprekidno diferencijabilno) na segmentu 0 h, h = = min {a, M b }, M > 0 M je pozitivna konstanta za koju je f (,) M (, D ) Teorema 433 (Picardova teorema) Ako je funkcija f u jednačini ' = f (, ) definirana na oblasti D (datoj u teoremi 43) i zadovoljava uslove (i ) f je neprekidna funkcija (na D ), f (ii) funkcija postoji i predstavlja ograničenu funciju na D, pa postoji konstanta k > 0 f (, ) za koju je k, onda jednačina ' = f (, ) ima jedinstveno rješenje = () sa početnim uslovima = 0 za = 0 na segmentu 0 h Postoji i teorema koja se odnosi na slučaj kada u diferencijalnoj jednačiji umjesto skalarne funkcije = () posmatramo vektorsku funkciju, tako da vrijedi: Teorema 434 (Cauch Picardova teorema) Neka je na oblasti D R α + definirana vektorska funkcija f (t, ) Pretpostavimo da je ova funkcija neprekidna na D i da ona lokalno zadovoljava Lipschitzov uslov po, tj za svaku funkciju postoji okolina (t, ) D u D za koju funkcija zadovoljava uslov po Dakle, vrijedi f (t, ) f (t, ) k u toj okolini, pri čemu se k može mijenjati od tačke do tačke Tada za svaku tačku (t 0, 0 ) D postoji k (> 0), koji u opštem slučaju zavisi od ((t 0, 0 )), i jedno jedino rješenje ' = (t) Cauchjevog problema jednačine (t 0 ) = 0, koja je definirana na segmentu [t 0 h, t 0 + h]