Диференціа́льні рівня́ння — рівняння, що встановлюють залежність між незалежними змінними, числами (параметрами), невідомими функціями та їхніми похідними. Невідома функція може бути як скалярною, так і векторною.
Такі залежності віднаходяться в різних областях знань: у механіці, фізиці, хімії, біології, економіці та ін. Диференціальні рівняння широко використовуються на практиці, зокрема для опису перехідних процесів, коливань, теплопровідності, деформації балок і пластин, поширення електричного струму у провіднику тощо.
У застосуваннях математики часто виникають задачі, в яких залежність одного параметра від іншого є невідомою, але можливо записати вираз для швидкості зміни одного параметра відносно іншого (похідної). У цьому випадку задача зводиться до знаходження функції за її похідною відносно з деяких інших виразів.
Диференціальні рівняння, або теорія диференціальних рівнянь — розділ математики, який розглядає теорію та способи розв'язування диференціальних рівнянь.
Основні поняття і означення
У випадку одного аргументу диференціальне рівняння називається звичайним; у випадку декількох аргументів — диференціальним рівнянням з частинними похідними. Складнішими є .
Порядком диференціального рівняння називається найвищий порядок похідної, що входить до рівняння.
Степенем диференціального рівняння називається найвищий степінь, до якого піднесено похідну найбільшого порядку n, що входить до рівняння.
Розв'язком диференціального рівняння порядку n називається функція, що має похідні, до n-ного порядку включно на деякому інтервалі, підставлення якої у рівняння перетворює його у тотожність. Якщо рівняння має розв'язок, то не один, а нескінченну множину; розв'язок може залежати не лише від аргументу, але також від однієї або декількох довільних сталих чи функцій. Якщо розв'язок рівняння отримано у формі неявної функції, то його називають інтегралом рівняння.
Початковими умовами або граничними умовами називаються додаткові умови, що накладаються на функцію при розв'язку конкретної задачі, що приводить до диференціального рівняння. За цих умов розв'язок може виявитись єдиним. Розв'язок рівняння, що залежить від довільних сталих, кількість яких дорівнює порядку рівняння і які можуть бути підібраними так, щоб задовольнити будь-яким початковим та граничним умовам, що допускають єдиний розв'язок, називається загальним розв'язком. Частинним розв'язком диференціального рівняння називається будь-який розв'язок, що може бути отриманий із загального при визначених числових значеннях довільних сталих. Довільні сталі, що входять в загальний розв'язок, визначаються з початкових або граничних умов.
Диференціальне рівняння називається інтегровним в квадратурах, якщо задачу знаходження усіх розв'язків можна звести до обчислення скінченного числа інтегралів від відомих функцій і простих алгебраїчних операцій. Через те, що багато рівнянь не можуть бути виражені через прості функції, тому деякі, рішення, що часто зустрічаються в таких задачах, отримали власні назви, були досліджені їх значення і взаємозв'язок, і тепер вони входять у число спеціальних функцій.
Спочатку диференціальні рівняння виникли із задач механіки, в яких брали участь координати тіл, їхні швидкості та прискорення, розглянуті як функції від часу, пізніше вони знайшли застосування практично в усіх розділах фізики — такі основні для своїх областей рівняння як рівняння Максвелла в електродинаміці, рівняння Ейнштейна у загальній теорії відносності та рівняння Шредінгера у квантовій механіці є диференціальними. Багато моделей з інших наук, таких як біологія, хімія і економіка також описуються різноманітними диференціальними рівняннями.
Для багатьох з цих рівнянь, в тому числі практично важливих, наприклад, рівняння Нав'є-Стокса, допоки що не знайдено розв'язку в загальному вигляді. Проте в реальних задачах за допомогою чисельних методів можна знайти їх рішення з будь-якою необхідною точністю.
Історія
Диференціальні рівняння винайдені Ньютоном (1642—1727). Ньютон вважав цей свій винахід настільки важливим, що зашифрував його у вигляді анаграми, смисл якої в сучасних термінах можна вільно передати так: «закони природи виражаються диференціальними рівняннями».
Основним аналітичним досягненням Ньютона було розкладання всіляких функцій у степеневі ряди (сенс другої, довгої анаграми Ньютона в тому, що для розв'язання будь-якого рівняння потрібно підставити в рівняння ряд і прирівняти члени однакового степеня). Особливе значення мала тут відкрита ним формула бінома Ньютона (зрозуміло, не тільки з цілими показниками, для яких формулу знав, наприклад, Вієт (1540—1603), але й, що особливо важливе, з дробовими і негативними показниками). Ньютон розклав у «ряди Тейлора» всі основні елементарні функції (раціональні, радикали, тригонометричні, експоненту і логарифм). Це, разом з складеною ним таблицею первісних (яка перейшла в майже незмінному вигляді в сучасні підручники аналізу), дозволяло йому, за його словами, порівнювати площі будь-яких фігур «за половину чверті години».
Ньютон указував, що коефіцієнти його рядів пропорційні послідовним похідним функції, але не зупинявся на цьому детально, оскільки він справедливо вважав, що всі обчислення в аналізі зручніше проводити не за допомогою кратних диференціювань, а шляхом обчислення перших членів ряду. Для Ньютона зв'язок між коефіцієнтами ряду і похідними був скоріше засобом обчислення похідних, чим засобом складання ряду. Одним з найважливіших досягнень Ньютона є його теорія сонячної системи, викладена в «Математичних принципах натуральної філософії» («Principia») без допомоги математичного аналізу. Зазвичай вважають, що Ньютон відкрив за допомогою свого аналізу закон всесвітнього тяжіння. Насправді Ньютону (1680) належить лише доказ еліптичності орбіт в полі тяжіння за законом зворотних квадратів: сам цей закон був вказаний Ньютону Гуком (1635—1703) і, мабуть, вгадувався ще декількома вченими.
З величезного числа робіт XVIII століття з диференціальних рівнянь виділяються роботи Ейлера (1707—1783) і Лагранжа (1736—1813). У цих роботах була передусім розвинена теорія малих коливань, а отже — теорія лінійних систем диференціальних рівнянь; попутно виникли основні поняття лінійної алгебри (власні числа і вектори в n-мірному випадку). Характеристичне рівняння лінійного оператора довго називали секулярним, оскільки саме з такого рівняння визначаються секулярні (вікові, тобто повільні в порівнянні з річним рухом) збурення планетних орбіт згідно з теорією малих коливань Лагранжа. Услід за Ньютоном Лаплас і Лагранж, а пізніше Гаус (1777—1855) розвивають також методи теорії збуджень.
Коли була доведена нерозв'язність алгебраїчних рівнянь в радикалах, Жозеф Ліувілль (1809—1882) побудував аналогічну теорію для диференціальних рівнянь, встановивши неможливість рішення низки рівнянь (зокрема таких класичних, як лінійні рівняння другого порядку) в елементарних функціях і квадратурі. Пізніше Софус Лі (1842—1899), аналізуючи питання про інтегрування рівнянь в квадратурі, прийшов до необхідності детально досліджувати групи дифеоморфізмів (що отримали згодом ім'я груп Лі) — так з теорії диференціальних рівнянь виникла одна з найплідніших областей сучасної математики, подальший розвиток якої був тісно пов'язаний зовсім з іншими питаннями (алгебри Лі ще раніше розглядали Сімеон-Дені Пуассон (1781—1840) і, особливо, Карл Густав Якоб Якобі (1804—1851)).
Новий етап розвитку теорії диференціальних рівнянь починається з робіт Анрі Пуанкаре (1854—1912), створена ним «якісна теорія диференціальних рівнянь» разом з теорією функцій комплексних змінних привела до заснування сучасної топології. Якісна теорія диференціальних рівнянь, або, як тепер її частіше називають, теорія динамічних систем, зараз розвивається найактивніше і має найважливіші застосування теорії диференціальних рівнянь в природознавстві.
Звичайні диференціальні рівняння
Звичайні диференціальні рівняння — це рівняння виду , де — невідома функція (можливо, вектор-функція; в такому випадку часто говорять про систему диференціальних рівнянь), що залежить від змінної часу , штрих означає диференціювання по . Число називається порядком диференціального рівняння.
Розв'язком (або рішенням) диференціального рівняння називається функція, що диференціюється n разів, і задовольняє рівнянню в усіх точках своєї області визначення. Зазвичай існує ціла множина таких функцій, і для вибору однієї з них на розв'язок потрібно накласти додаткові умови: наприклад, вимагати, щоб рішення приймало в певній точці певне значення.
Основні завдання і результати теорії диференціальних рівнянь: існування і єдиність рішення різних задач для ЗДР, методи розв'язання простих ЗДР, якісне дослідження рішень ЗДР без знаходження їхнього явного вигляду.
Диференціальні рівняння в частинних похідних
Диференціальні рівняння в частинних похідних — це рівняння, що містять невідомі функції від декількох змінних та їх частинних похідних.
Загальний вид таких рівнянь можна представити у вигляді:
- ,
де — незалежні змінні, а — функція цих змінних.
Лінійні та нелінійні диференціальні рівняння
Як звичайні диференціальні рівняння, так і рівняння у частинних похідних можна поділити на лінійні та нелінійні.
Лінійні диференціальні рівняння
Диференціальне рівняння є лінійним, якщо невідома функція і її похідні входять у рівняння лише у першому степені (й не перемножаються одна з одною). Для таких рівнянь розв'язки утворюють афінний підпростір простору функцій. Теорія лінійних диференціальних рівнянь розвинена значно глибше, ніж теорія нелінійних рівнянь. Загальний вигляд лінійного диференціального рівняння -го порядку:
де — відомі функції незалежної змінної, що називаються коефіцієнтами рівняння. Функція у правій частині називається вільним членом (єдиний доданок, що є незалежним від невідомої функції). Важливим частковим класом лінійних рівнянь є лінійні диференціальні рівняння із сталими коефіцієнтами.
Підкласом лінійних рівнянь є однорідні диференціальні рівняння — рівняння, що не мають вільного члена: . Для однорідних диференціальних рівнянь виконується принцип суперпозиції: лінійна комбінація часткових розв'язків такого рівняння також буде його розв'язком. Усі інші лінійні диференціальні рівняння називаються неоднорідними диференціальними рівняннями.
Нелінійні диференціальні рівняння
Нелінійне диференціальне рівняння — це рівняння, в якому невідомою величиною є деяка функція та у диференціальне рівняння входить не лише вона, але й різні її похідні в нелінійному виді. Розрізняють звичайні нелінійні диференціальні рівняння і нелінійні диференціальні рівняння в частинних похідних.
Нелінійні диференціальні рівняння виникли із задач нелінійної механіки, в яких фігурували координати тіл, їх швидкості та прискорення, розглянуті як функції від часу.
Нелінійні диференціальні рівняння у загальному випадку не мають розроблених методів розв'язування, крім деяких часткових випадків. В деяких випадках (із застосуванням тих чи інших наближень) вони можуть бути зведені до лінійних. Наприклад, лінійне рівняння гармонічного осцилятора може розглядатись як наближення нелінійного рівняння математичного маятника для випадку малих амплітуд, коли .
Існування розв'язків
Розв'язування диференціальних рівнянь не схоже на розв'язування алгебраїчних рівнянь. Рішення часто є неочевидним і складним, і навіть такі питання як існування рішення, або його унікальність є напрочуд цікавими.
Для рівнянь першого порядку, дає набір достатніх умов, при яких у рівняння є принаймні один розв'язок. Теорема формулюється так:
|
Для рівнянь більш високих порядків існує наступна теорема:
Для рівняння
Тоді для будь-якого x0 з інтервалу [a, b], на якому функції fn, …, f0 і g(x) є визначенними, і для будь яких С1, С2 … Сn, що задають граничні умови
Існує одне і тільки одне рішення, і воно також визначене на цьому інтервалі.
Точні розв'язки
Деякі диференціальні рівняння мають розв'язки, що можна подати точною формулою. Такі класи рівнянь подані нижче.
В таблиці, H(x), Z(x), H(y), Z(y), чи H(x,y), Z(x,y) — довільні інтегровні функції від x чи y (або від обидвох параметрів), a A, B, C, I, L, N, M — константи. В загальному A, B, C, I, L, є дійсними числами, а N, M, P та Q можуть бути комплексними. Диференціальні рівняння подані в альтернативній формі, що дозволяє їх розв'язати методом інтегрування.
Диференціальні рівняння | Загальний розв'язок | |
---|---|---|
1 |
| |
2 |
| |
3 |
| |
4 |
| |
5 | розв'язком може бути неявна фунція від x та y, отримана обчисленням наведеного інтегралу використовуючи заміну змінних | |
6 | ||
7 |
| Якщо ДР є точним, тобто тоді розв'язок задається формулою:
де та — певні функції, залежні від інтегралів, що дозволяють коректно визначити функцію hold. Якщо рівняння не є точним, з функцій H(x,y) та Z(x,y) можна визначити , після домноження рівняння на який воно розв'язується аналогічно до точного. |
8 | Якщо тоді Якщо тоді Якщо тоді | |
9 |
де — d розв'зки поліному степеня d:
|
Зауважте, що 3 і 4 є частковими випадками 7, вони досить поширені і презентовані для повноти.
Також 8 рівняння є частковим випадком 9, але 8 досить поширена форма рівнянь, особливо у простих фізичних та інженерних задачах.
Приклади
- Другий закон Ньютона можна записати у формі диференціального рівняння
- ,
де — маса тіла, — його координата, — сила, діюча на тіло з координатою у момент часу . Його розв'язком є траєкторія руху тіла під дією вказаної сили.
- Коливання струни описується рівнянням
- ,
де — відхилення струни в точці з координатою у момент часу , параметр задає властивості струни.
- Диференціальне рівняння прогину пластини під дією рівномірно розподіленого навантаження :
- ,
де — вертикальні прогини пластини, — циліндрична жорсткість пластини при згині.
Програмне забезпечення
Існує програмне забезпечення, яке може розв'язувати диференціальні рівняння:
Див. також
Примітки
- Самойленко А. М.; Перестюк М. О.; (2003). Диференціальні рівняння (PDF). Київ: Либідь. с. 600. ISBN .(укр.)
- (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 23 січня 2022. Процитовано 16 березня 2022.
- (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 26 вересня 2020. Процитовано 26 квітня 2020.
- . Архів оригіналу за 11 жовтня 2016. Процитовано 28 вересня 2016.
- . www.maplesoft.com. Архів оригіналу за 23 листопада 2013. Процитовано 12 травня 2020.
- (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 29 липня 2014.
Література
Українською
- Самойленко А. М.; Перестюк М. О.; (2003). Диференціальні рівняння (PDF). Київ: Либідь. с. 600. ISBN .(укр.)
- Кривошея С.А.; Перестюк М.О.; (2004). Диференціальні та інтегральні рівняння (PDF). Київ: Либідь. с. 407. ISBN .(укр.)
- Бугрій О.М.; Процах Н.П.; Бугрій Н.В. (2011 р.). Основи диференціальних рівнянь: теорія, приклади та задачі : Навчальний посібник. Львів. ISBN .
- Диференціальні рівняння : навч. посіб. / Головатий Ю. Д., Кирилич В. М., Лавренюк С. П.; Львів. нац. ун-т ім. Івана Франка. - Львів : ЛНУ ім. І. Франка, 2011. - 468 с. -
- Диференціальні рівняння : навч. посіб. / [Каленюк П. І. та ін.] ; Нац. ун-т "Львів. політехніка". - Львів : Вид-во Львів. політехніки, 2014. - 378 с. -
- Диференціальні рівняння : навч. посіб. / [Л. С. Тесленко та ін.] ; Миколаїв. нац. ун-т ім. В. О. Сухомлинського. - Миколаїв : Іліон, 2013. - 336 с. : рис. -
- Диференціальні рівняння : навч. посіб. / Т. П. Гой, О. В. Махней ; Прикарпат. нац. ун-т ім. Василя Стефаника. - Івано-Франківськ : Сімик, 2012. - 351 с. -
- Лінійні динамічні системи і звичайні диференціальні рівняння : навч. посібник / П. М. Гащук. - Львів : Українські технології, 2002. - 607 с.: рис. -
Іншими мовами
- Gerald Teschl (2012). Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems (PDF). American Mathematical Society. с. 353. ISBN . (англ.)
- James C. Robinson (2004). An Introduction to Ordinary Differential Equations (PDF). М: Cambridge. с. 399. ISBN .(англ.)
- Tenenbaum, Morris; Pollard, Harry (1985). Ordinary Differential Equations. Dover. ISBN . (англ.)
- Hartman, Philip (2002) [1964]. Ordinary differential equations. Classics in Applied Mathematics. Т. 38. Philadelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics. ISBN . (англ.)
- Strauss, Walter A. (2008). Partial Differential Equations: An Introduction (вид. 2nd). John Wiley & Sons. ISBN . (англ.)
- Pontryagin, Lev (1962). (PDF). Adiwes International Series in Mathematics. Pergamon Press. Архів оригіналу (PDF) за 13 липня 2020. Процитовано 13 липня 2020. (англ.)
- Понтрягін Л. С. (1974). Обыкновенные дифференциальные уравнения (PDF). М. с. 331.(рос.)
- Арнольд В. И. (2014). Обыкновенные дифференциальные уравнения (PDF). М: МЦНМО. с. 341. ISBN .(рос.)
Посилання
- Диференційні рівняння // Вища математика в прикладах і задачах / Клепко В.Ю., Голець В.Л.. — 2-ге видання. — К. : Центр учбової літератури, 2009. — С. 468. — 594 с.
- Gabriel Nagy (2016), Ordinary Differential Equations [ 24 червня 2016 у Wayback Machine.], Michigan State University. (англ.)
- ДИФЕРЕНЦІА́ЛЬНИХ РІВНЯ́НЬ ТЕО́РІЯ (ДРТ) [ 21 квітня 2016 у Wayback Machine.] //ЕСУ (укр.)
Це незавершена стаття з математики. Ви можете проєкту, виправивши або дописавши її. |
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Diferencia lni rivnya nnya rivnyannya sho vstanovlyuyut zalezhnist mizh nezalezhnimi zminnimi chislami parametrami nevidomimi funkciyami ta yihnimi pohidnimi Nevidoma funkciya mozhe buti yak skalyarnoyu tak i vektornoyu Vizualizaciya povitryanogo potoku z rivnyannya Nav ye Stoksa Vizualizaciya teploobminu u korpusi nasosa otrimana shlyahom rozv yazuvannya rivnyannya teploprovidnosti Isaak Nyuton Gotfrid Lejbnic Taki zalezhnosti vidnahodyatsya v riznih oblastyah znan u mehanici fizici himiyi biologiyi ekonomici ta in Diferencialni rivnyannya shiroko vikoristovuyutsya na praktici zokrema dlya opisu perehidnih procesiv kolivan teploprovidnosti deformaciyi balok i plastin poshirennya elektrichnogo strumu u providniku tosho U zastosuvannyah matematiki chasto vinikayut zadachi v yakih zalezhnist odnogo parametra vid inshogo ye nevidomoyu ale mozhlivo zapisati viraz dlya shvidkosti zmini odnogo parametra vidnosno inshogo pohidnoyi U comu vipadku zadacha zvoditsya do znahodzhennya funkciyi za yiyi pohidnoyu vidnosno z deyakih inshih viraziv Diferencialni rivnyannya abo teoriya diferencialnih rivnyan rozdil matematiki yakij rozglyadaye teoriyu ta sposobi rozv yazuvannya diferencialnih rivnyan Osnovni ponyattya i oznachennyaU vipadku odnogo argumentu diferencialne rivnyannya nazivayetsya zvichajnim u vipadku dekilkoh argumentiv diferencialnim rivnyannyam z chastinnimi pohidnimi Skladnishimi ye Poryadkom diferencialnogo rivnyannya nazivayetsya najvishij poryadok pohidnoyi sho vhodit do rivnyannya Stepenem diferencialnogo rivnyannya nazivayetsya najvishij stepin do yakogo pidneseno pohidnu najbilshogo poryadku n sho vhodit do rivnyannya Rozv yazkom diferencialnogo rivnyannya poryadku n nazivayetsya funkciya sho maye pohidni do n nogo poryadku vklyuchno na deyakomu intervali pidstavlennya yakoyi u rivnyannya peretvoryuye jogo u totozhnist Yaksho rivnyannya maye rozv yazok to ne odin a neskinchennu mnozhinu rozv yazok mozhe zalezhati ne lishe vid argumentu ale takozh vid odniyeyi abo dekilkoh dovilnih stalih chi funkcij Yaksho rozv yazok rivnyannya otrimano u formi neyavnoyi funkciyi to jogo nazivayut integralom rivnyannya Pochatkovimi umovami abo granichnimi umovami nazivayutsya dodatkovi umovi sho nakladayutsya na funkciyu pri rozv yazku konkretnoyi zadachi sho privodit do diferencialnogo rivnyannya Za cih umov rozv yazok mozhe viyavitis yedinim Rozv yazok rivnyannya sho zalezhit vid dovilnih stalih kilkist yakih dorivnyuye poryadku rivnyannya i yaki mozhut buti pidibranimi tak shob zadovolniti bud yakim pochatkovim ta granichnim umovam sho dopuskayut yedinij rozv yazok nazivayetsya zagalnim rozv yazkom Chastinnim rozv yazkom diferencialnogo rivnyannya nazivayetsya bud yakij rozv yazok sho mozhe buti otrimanij iz zagalnogo pri viznachenih chislovih znachennyah dovilnih stalih Dovilni stali sho vhodyat v zagalnij rozv yazok viznachayutsya z pochatkovih abo granichnih umov Diferencialne rivnyannya nazivayetsya integrovnim v kvadraturah yaksho zadachu znahodzhennya usih rozv yazkiv mozhna zvesti do obchislennya skinchennogo chisla integraliv vid vidomih funkcij i prostih algebrayichnih operacij Cherez te sho bagato rivnyan ne mozhut buti virazheni cherez prosti funkciyi tomu deyaki rishennya sho chasto zustrichayutsya v takih zadachah otrimali vlasni nazvi buli doslidzheni yih znachennya i vzayemozv yazok i teper voni vhodyat u chislo specialnih funkcij Spochatku diferencialni rivnyannya vinikli iz zadach mehaniki v yakih brali uchast koordinati til yihni shvidkosti ta priskorennya rozglyanuti yak funkciyi vid chasu piznishe voni znajshli zastosuvannya praktichno v usih rozdilah fiziki taki osnovni dlya svoyih oblastej rivnyannya yak rivnyannya Maksvella v elektrodinamici rivnyannya Ejnshtejna u zagalnij teoriyi vidnosnosti ta rivnyannya Shredingera u kvantovij mehanici ye diferencialnimi Bagato modelej z inshih nauk takih yak biologiya himiya i ekonomika takozh opisuyutsya riznomanitnimi diferencialnimi rivnyannyami Dlya bagatoh z cih rivnyan v tomu chisli praktichno vazhlivih napriklad rivnyannya Nav ye Stoksa dopoki sho ne znajdeno rozv yazku v zagalnomu viglyadi Prote v realnih zadachah za dopomogoyu chiselnih metodiv mozhna znajti yih rishennya z bud yakoyu neobhidnoyu tochnistyu IstoriyaLeonard Ejler Zhozef Luyi Lagranzh P yer Simon Laplas Zhozef Liuvill Anri Puankare Diferencialni rivnyannya vinajdeni Nyutonom 1642 1727 Nyuton vvazhav cej svij vinahid nastilki vazhlivim sho zashifruvav jogo u viglyadi anagrami smisl yakoyi v suchasnih terminah mozhna vilno peredati tak zakoni prirodi virazhayutsya diferencialnimi rivnyannyami Osnovnim analitichnim dosyagnennyam Nyutona bulo rozkladannya vsilyakih funkcij u stepenevi ryadi sens drugoyi dovgoyi anagrami Nyutona v tomu sho dlya rozv yazannya bud yakogo rivnyannya potribno pidstaviti v rivnyannya ryad i pririvnyati chleni odnakovogo stepenya Osoblive znachennya mala tut vidkrita nim formula binoma Nyutona zrozumilo ne tilki z cilimi pokaznikami dlya yakih formulu znav napriklad Viyet 1540 1603 ale j sho osoblivo vazhlive z drobovimi i negativnimi pokaznikami Nyuton rozklav u ryadi Tejlora vsi osnovni elementarni funkciyi racionalni radikali trigonometrichni eksponentu i logarifm Ce razom z skladenoyu nim tabliceyu pervisnih yaka perejshla v majzhe nezminnomu viglyadi v suchasni pidruchniki analizu dozvolyalo jomu za jogo slovami porivnyuvati ploshi bud yakih figur za polovinu chverti godini Nyuton ukazuvav sho koeficiyenti jogo ryadiv proporcijni poslidovnim pohidnim funkciyi ale ne zupinyavsya na comu detalno oskilki vin spravedlivo vvazhav sho vsi obchislennya v analizi zruchnishe provoditi ne za dopomogoyu kratnih diferenciyuvan a shlyahom obchislennya pershih chleniv ryadu Dlya Nyutona zv yazok mizh koeficiyentami ryadu i pohidnimi buv skorishe zasobom obchislennya pohidnih chim zasobom skladannya ryadu Odnim z najvazhlivishih dosyagnen Nyutona ye jogo teoriya sonyachnoyi sistemi vikladena v Matematichnih principah naturalnoyi filosofiyi Principia bez dopomogi matematichnogo analizu Zazvichaj vvazhayut sho Nyuton vidkriv za dopomogoyu svogo analizu zakon vsesvitnogo tyazhinnya Naspravdi Nyutonu 1680 nalezhit lishe dokaz eliptichnosti orbit v poli tyazhinnya za zakonom zvorotnih kvadrativ sam cej zakon buv vkazanij Nyutonu Gukom 1635 1703 i mabut vgaduvavsya she dekilkoma vchenimi Z velicheznogo chisla robit XVIII stolittya z diferencialnih rivnyan vidilyayutsya roboti Ejlera 1707 1783 i Lagranzha 1736 1813 U cih robotah bula peredusim rozvinena teoriya malih kolivan a otzhe teoriya linijnih sistem diferencialnih rivnyan poputno vinikli osnovni ponyattya linijnoyi algebri vlasni chisla i vektori v n mirnomu vipadku Harakteristichne rivnyannya linijnogo operatora dovgo nazivali sekulyarnim oskilki same z takogo rivnyannya viznachayutsya sekulyarni vikovi tobto povilni v porivnyanni z richnim ruhom zburennya planetnih orbit zgidno z teoriyeyu malih kolivan Lagranzha Uslid za Nyutonom Laplas i Lagranzh a piznishe Gaus 1777 1855 rozvivayut takozh metodi teoriyi zbudzhen Koli bula dovedena nerozv yaznist algebrayichnih rivnyan v radikalah Zhozef Liuvill 1809 1882 pobuduvav analogichnu teoriyu dlya diferencialnih rivnyan vstanovivshi nemozhlivist rishennya nizki rivnyan zokrema takih klasichnih yak linijni rivnyannya drugogo poryadku v elementarnih funkciyah i kvadraturi Piznishe Sofus Li 1842 1899 analizuyuchi pitannya pro integruvannya rivnyan v kvadraturi prijshov do neobhidnosti detalno doslidzhuvati grupi difeomorfizmiv sho otrimali zgodom im ya grup Li tak z teoriyi diferencialnih rivnyan vinikla odna z najplidnishih oblastej suchasnoyi matematiki podalshij rozvitok yakoyi buv tisno pov yazanij zovsim z inshimi pitannyami algebri Li she ranishe rozglyadali Simeon Deni Puasson 1781 1840 i osoblivo Karl Gustav Yakob Yakobi 1804 1851 Novij etap rozvitku teoriyi diferencialnih rivnyan pochinayetsya z robit Anri Puankare 1854 1912 stvorena nim yakisna teoriya diferencialnih rivnyan razom z teoriyeyu funkcij kompleksnih zminnih privela do zasnuvannya suchasnoyi topologiyi Yakisna teoriya diferencialnih rivnyan abo yak teper yiyi chastishe nazivayut teoriya dinamichnih sistem zaraz rozvivayetsya najaktivnishe i maye najvazhlivishi zastosuvannya teoriyi diferencialnih rivnyan v prirodoznavstvi Zvichajni diferencialni rivnyannyaDokladnishe Zvichajni diferencialni rivnyannya Zvichajni diferencialni rivnyannya ce rivnyannya vidu F t x x x x n 0 displaystyle F t x x x x n 0 de x x t displaystyle x x t nevidoma funkciya mozhlivo vektor funkciya v takomu vipadku chasto govoryat pro sistemu diferencialnih rivnyan sho zalezhit vid zminnoyi chasu t displaystyle t shtrih oznachaye diferenciyuvannya po t displaystyle t Chislo n displaystyle n nazivayetsya poryadkom diferencialnogo rivnyannya Rozv yazkom abo rishennyam diferencialnogo rivnyannya nazivayetsya funkciya sho diferenciyuyetsya n raziv i zadovolnyaye rivnyannyu v usih tochkah svoyeyi oblasti viznachennya Zazvichaj isnuye cila mnozhina takih funkcij i dlya viboru odniyeyi z nih na rozv yazok potribno naklasti dodatkovi umovi napriklad vimagati shob rishennya prijmalo v pevnij tochci pevne znachennya Osnovni zavdannya i rezultati teoriyi diferencialnih rivnyan isnuvannya i yedinist rishennya riznih zadach dlya ZDR metodi rozv yazannya prostih ZDR yakisne doslidzhennya rishen ZDR bez znahodzhennya yihnogo yavnogo viglyadu Diferencialni rivnyannya v chastinnih pohidnihDokladnishe Diferencialne rivnyannya z chastinnimi pohidnimi Diferencialni rivnyannya v chastinnih pohidnih ce rivnyannya sho mistyat nevidomi funkciyi vid dekilkoh zminnih ta yih chastinnih pohidnih Zagalnij vid takih rivnyan mozhna predstaviti u viglyadi F x 1 x 2 x m z z x 1 z x 2 z x m 2 z x 1 2 2 z x 1 x 2 2 z x 2 2 n z x m n 0 displaystyle F left x 1 x 2 dots x m z frac partial z partial x 1 frac partial z partial x 2 dots frac partial z partial x m frac partial 2 z partial x 1 2 frac partial 2 z partial x 1 partial x 2 frac partial 2 z partial x 2 2 dots frac partial n z partial x m n right 0 de x 1 x 2 x m displaystyle x 1 x 2 dots x m nezalezhni zminni a z displaystyle z funkciya cih zminnih Linijni ta nelinijni diferencialni rivnyannyaYak zvichajni diferencialni rivnyannya tak i rivnyannya u chastinnih pohidnih mozhna podiliti na linijni ta nelinijni Linijni diferencialni rivnyannya Diferencialne rivnyannya ye linijnim yaksho nevidoma funkciya i yiyi pohidni vhodyat u rivnyannya lishe u pershomu stepeni j ne peremnozhayutsya odna z odnoyu Dlya takih rivnyan rozv yazki utvoryuyut afinnij pidprostir prostoru funkcij Teoriya linijnih diferencialnih rivnyan rozvinena znachno glibshe nizh teoriya nelinijnih rivnyan Zagalnij viglyad linijnogo diferencialnogo rivnyannya n displaystyle n go poryadku p n x y n x p n 1 x y n 1 x p 0 x y x r x displaystyle p n x y n x p n 1 x y n 1 x cdots p 0 x y x r x de p i x displaystyle p i x vidomi funkciyi nezalezhnoyi zminnoyi sho nazivayutsya koeficiyentami rivnyannya Funkciya r x displaystyle r x u pravij chastini nazivayetsya vilnim chlenom yedinij dodanok sho ye nezalezhnim vid nevidomoyi funkciyi Vazhlivim chastkovim klasom linijnih rivnyan ye linijni diferencialni rivnyannya iz stalimi koeficiyentami Pidklasom linijnih rivnyan ye odnoridni diferencialni rivnyannya rivnyannya sho ne mayut vilnogo chlena r x 0 displaystyle r x 0 Dlya odnoridnih diferencialnih rivnyan vikonuyetsya princip superpoziciyi linijna kombinaciya chastkovih rozv yazkiv takogo rivnyannya takozh bude jogo rozv yazkom Usi inshi linijni diferencialni rivnyannya nazivayutsya neodnoridnimi diferencialnimi rivnyannyami Nelinijni diferencialni rivnyannya Dokladnishe Nelinijni diferencialni rivnyannya Nelinijne diferencialne rivnyannya ce rivnyannya v yakomu nevidomoyu velichinoyu ye deyaka funkciya ta u diferencialne rivnyannya vhodit ne lishe vona ale j rizni yiyi pohidni v nelinijnomu vidi Rozriznyayut zvichajni nelinijni diferencialni rivnyannya i nelinijni diferencialni rivnyannya v chastinnih pohidnih Nelinijni diferencialni rivnyannya vinikli iz zadach nelinijnoyi mehaniki v yakih figuruvali koordinati til yih shvidkosti ta priskorennya rozglyanuti yak funkciyi vid chasu Nelinijni diferencialni rivnyannya u zagalnomu vipadku ne mayut rozroblenih metodiv rozv yazuvannya krim deyakih chastkovih vipadkiv V deyakih vipadkah iz zastosuvannyam tih chi inshih nablizhen voni mozhut buti zvedeni do linijnih Napriklad linijne rivnyannya garmonichnogo oscilyatora d 2 y d x 2 w 2 y 0 displaystyle frac d 2 y dx 2 omega 2 y 0 mozhe rozglyadatis yak nablizhennya nelinijnogo rivnyannya matematichnogo mayatnika d 2 y d x 2 w 2 sin y 0 displaystyle frac d 2 y dx 2 omega 2 sin y 0 dlya vipadku malih amplitud koli y sin y displaystyle y approx sin y Isnuvannya rozv yazkivRozv yazuvannya diferencialnih rivnyan ne shozhe na rozv yazuvannya algebrayichnih rivnyan Rishennya chasto ye neochevidnim i skladnim i navit taki pitannya yak isnuvannya rishennya abo jogo unikalnist ye naprochud cikavimi Dlya rivnyan pershogo poryadku daye nabir dostatnih umov pri yakih u rivnyannya ye prinajmni odin rozv yazok Teorema formulyuyetsya tak Nehaj funkciya f t x displaystyle f t x neperervna v deyakij oblasti t t 0 a x x 0 b displaystyle t t 0 leqslant a x x 0 leqslant b i b displaystyle beta maksimum f t x displaystyle f t x u cij oblasti Yaksho h m i n f a b b g displaystyle h min mathcal f a frac b beta mathcal g to na vidrizku t 0 h t 0 h displaystyle t 0 h t 0 h isnuye prinajmni odne rishennya rivnyannya d x d t f t x displaystyle frac dx dt f t x sho zadovilnyaye umovi x t 0 x 0 displaystyle x t 0 x 0 Dlya rivnyan bilsh visokih poryadkiv isnuye nastupna teorema Dlya rivnyannya y n y n 1 f 1 x f n 1 x y f n x y g x displaystyle y n y n 1 f 1 x cdots f n 1 x y f n x y g x Todi dlya bud yakogo x0 z intervalu a b na yakomu funkciyi fn f0 i g x ye viznachennimi i dlya bud yakih S1 S2 Sn sho zadayut granichni umovi y x 0 C 1 y x 0 C 2 y n x 0 C n displaystyle y x 0 C 1 y x 0 C 2 cdots y n x 0 C n Isnuye odne i tilki odne rishennya i vono takozh viznachene na comu intervali Tochni rozv yazkiDeyaki diferencialni rivnyannya mayut rozv yazki sho mozhna podati tochnoyu formuloyu Taki klasi rivnyan podani nizhche V tablici H x Z x H y Z y chi H x y Z x y dovilni integrovni funkciyi vid x chi y abo vid obidvoh parametriv a A B C I L N M konstanti V zagalnomu A B C I L ye dijsnimi chislami a N M P ta Q mozhut buti kompleksnimi Diferencialni rivnyannya podani v alternativnij formi sho dozvolyaye yih rozv yazati metodom integruvannya Diferencialni rivnyannya Zagalnij rozv yazok 1 d y d x F x displaystyle frac mathrm d y mathrm d x F x d y F x d x displaystyle mathrm d y F x mathrm d x y F x d x displaystyle y int F x mathrm d x 2 d y d x F y displaystyle frac mathrm d y mathrm d x F y d y F y d x displaystyle mathrm d y F y mathrm d x x d y F y displaystyle x int frac mathrm d y F y 3 H y d y d x Z x 0 displaystyle H y frac mathrm d y mathrm d x Z x 0 H y d y Z x d x 0 displaystyle H y mathrm d y Z x mathrm d x 0 H y d y Z x d x C displaystyle int H y mathrm d y int Z x mathrm d x C 4 d y d x H x y Z x 0 displaystyle frac mathrm d y mathrm d x H x y Z x 0 d y H x y d x Z x d x 0 displaystyle mathrm d y H x y mathrm d x Z x mathrm d x 0 y e H x d x e H x d x Z x d x displaystyle y e int H x mathrm d x int e int H x mathrm d x Z x mathrm d x 5 d y d x F y x displaystyle frac mathrm d y mathrm d x F left frac y x right ln C x d r F r r displaystyle ln Cx int frac mathrm d r F r r rozv yazkom mozhe buti neyavna funciya vid x ta y otrimana obchislennyam navedenogo integralu vikoristovuyuchi zaminu zminnih r y x displaystyle r y x 6 d 2 y d x 2 F y displaystyle frac mathrm d 2 y mathrm d x 2 F y x d y 2 F y d y C 1 C 2 displaystyle x pm int frac mathrm d y sqrt 2 int F y mathrm d y C 1 C 2 7 H x y d y d x Z x y 0 displaystyle H x y frac mathrm d y mathrm d x Z x y 0 H x y d y Z x y d x 0 displaystyle H x y mathrm d y Z x y mathrm d x 0 Yaksho DR ye tochnim tobto H x Z y displaystyle frac partial H partial x frac partial Z partial y todi rozv yazok zadayetsya formuloyu F x y H x y d y Z x y d x g y x x C displaystyle F x y int left H x y mathrm d y Z x y mathrm d x right gamma y chi x C de g y displaystyle gamma y ta x x displaystyle chi x pevni funkciyi zalezhni vid integraliv sho dozvolyayut korektno viznachiti funkciyu F x y displaystyle F x y hold Yaksho rivnyannya ne ye tochnim z funkcij H x y ta Z x y mozhna viznachiti pislya domnozhennya rivnyannya na yakij vono rozv yazuyetsya analogichno do tochnogo 8 d 2 y d x 2 I d y d x L y 0 displaystyle frac mathrm d 2 y mathrm d x 2 I frac mathrm d y mathrm d x Ly 0 Yaksho I 2 gt 4 L displaystyle I 2 gt 4L todi y N e I I 2 4 L x 2 M e I I 2 4 L x 2 displaystyle y Ne left I sqrt I 2 4L right frac x 2 Me left I sqrt I 2 4L right frac x 2 Yaksho I 2 4 L displaystyle I 2 4L todi y A x B e I x 2 displaystyle y Ax B e Ix 2 Yaksho I 2 lt 4 L displaystyle I 2 lt 4L todi y e I x 2 P sin I 2 4 L x 2 Q cos I 2 4 L x 2 displaystyle y e I frac x 2 left P sin left sqrt left I 2 4L right frac x 2 right Q cos left sqrt left I 2 4L right frac x 2 right right 9 a 1 d I a d a y d x a 0 displaystyle sum alpha 1 d I alpha frac mathrm d alpha y mathrm d x alpha 0 a 1 d A a e B a x 0 displaystyle sum alpha 1 d A alpha e B alpha x 0 de B a displaystyle B alpha d rozv zki polinomu stepenya d a 1 d B B a 0 displaystyle prod alpha 1 d left B B alpha right 0 Zauvazhte sho 3 i 4 ye chastkovimi vipadkami 7 voni dosit poshireni i prezentovani dlya povnoti Takozh 8 rivnyannya ye chastkovim vipadkom 9 ale 8 dosit poshirena forma rivnyan osoblivo u prostih fizichnih ta inzhenernih zadachah PrikladiDrugij zakon Nyutona mozhna zapisati u formi diferencialnogo rivnyannya m d 2 x d t 2 F x t displaystyle m frac d 2 x dt 2 F x t de m displaystyle m masa tila x displaystyle x jogo koordinata F x t displaystyle F x t sila diyucha na tilo z koordinatoyu x displaystyle x u moment chasu t displaystyle t Jogo rozv yazkom ye trayektoriya ruhu tila pid diyeyu vkazanoyi sili Kolivannya struni opisuyetsya rivnyannyam 2 u t 2 a 2 2 u x 2 displaystyle frac partial 2 u partial t 2 a 2 frac partial 2 u partial x 2 de u u x t displaystyle u u x t vidhilennya struni v tochci z koordinatoyu x displaystyle x u moment chasu t displaystyle t parametr a displaystyle a zadaye vlastivosti struni Diferencialne rivnyannya proginu plastini pid diyeyu rivnomirno rozpodilenogo navantazhennya q displaystyle q 4 w x 4 4 w x 2 y 2 4 w y 4 q D displaystyle frac partial 4 w partial x 4 frac partial 4 w partial x 2 partial y 2 frac partial 4 w partial y 4 frac q D de w displaystyle w vertikalni progini plastini D displaystyle D cilindrichna zhorstkist plastini pri zgini Programne zabezpechennyaIsnuye programne zabezpechennya yake mozhe rozv yazuvati diferencialni rivnyannya Maple dsolve en Xcas desolve y k y y Div takozhAsimptotichno ekvivalentni sistemiPrimitkiSamojlenko A M Perestyuk M O 2003 Diferencialni rivnyannya PDF Kiyiv Libid s 600 ISBN 966 06 0249 9 ukr PDF Arhiv originalu PDF za 23 sichnya 2022 Procitovano 16 bereznya 2022 PDF Arhiv originalu PDF za 26 veresnya 2020 Procitovano 26 kvitnya 2020 Arhiv originalu za 11 zhovtnya 2016 Procitovano 28 veresnya 2016 www maplesoft com Arhiv originalu za 23 listopada 2013 Procitovano 12 travnya 2020 PDF Arhiv originalu PDF za 29 lipnya 2014 LiteraturaUkrayinskoyu Samojlenko A M Perestyuk M O 2003 Diferencialni rivnyannya PDF Kiyiv Libid s 600 ISBN 966 06 0249 9 ukr Krivosheya S A Perestyuk M O 2004 Diferencialni ta integralni rivnyannya PDF Kiyiv Libid s 407 ISBN 966 06 0348 7 ukr Bugrij O M Procah N P Bugrij N V 2011 r Osnovi diferencialnih rivnyan teoriya prikladi ta zadachi Navchalnij posibnik Lviv ISBN 978 966 2645 01 9 Diferencialni rivnyannya navch posib Golovatij Yu D Kirilich V M Lavrenyuk S P Lviv nac un t im Ivana Franka Lviv LNU im I Franka 2011 468 s ISBN 978 966 613 859 3 Diferencialni rivnyannya navch posib Kalenyuk P I ta in Nac un t Lviv politehnika Lviv Vid vo Lviv politehniki 2014 378 s ISBN 978 617 607 564 6 Diferencialni rivnyannya navch posib L S Teslenko ta in Mikolayiv nac un t im V O Suhomlinskogo Mikolayiv Ilion 2013 336 s ris ISBN 978 617 534 141 4 Diferencialni rivnyannya navch posib T P Goj O V Mahnej Prikarpat nac un t im Vasilya Stefanika Ivano Frankivsk Simik 2012 351 s ISBN 978 966 8067 90 7 Linijni dinamichni sistemi i zvichajni diferencialni rivnyannya navch posibnik P M Gashuk Lviv Ukrayinski tehnologiyi 2002 607 s ris ISBN 966 666 024 5 Inshimi movami Gerald Teschl 2012 Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems PDF American Mathematical Society s 353 ISBN 978 0 8218 8328 0 angl James C Robinson 2004 An Introduction to Ordinary Differential Equations PDF M Cambridge s 399 ISBN 978 0 521 53391 1 angl Tenenbaum Morris Pollard Harry 1985 Ordinary Differential Equations Dover ISBN 0 486 64940 7 angl Hartman Philip 2002 1964 Ordinary differential equations Classics in Applied Mathematics T 38 Philadelphia Society for Industrial and Applied Mathematics ISBN 978 0 89871 510 1 angl Strauss Walter A 2008 Partial Differential Equations An Introduction vid 2nd John Wiley amp Sons ISBN 978 0470054567 angl Pontryagin Lev 1962 PDF Adiwes International Series in Mathematics Pergamon Press Arhiv originalu PDF za 13 lipnya 2020 Procitovano 13 lipnya 2020 angl Pontryagin L S 1974 Obyknovennye differencialnye uravneniya PDF M s 331 ros Arnold V I 2014 Obyknovennye differencialnye uravneniya PDF M MCNMO s 341 ISBN 978 5 4439 2007 8 ros PosilannyaDiferencijni rivnyannya Visha matematika v prikladah i zadachah Klepko V Yu Golec V L 2 ge vidannya K Centr uchbovoyi literaturi 2009 S 468 594 s Gabriel Nagy 2016 Ordinary Differential Equations 24 chervnya 2016 u Wayback Machine Michigan State University angl DIFERENCIA LNIH RIVNYa N TEO RIYa DRT 21 kvitnya 2016 u Wayback Machine ESU ukr Portal Matematika Ce nezavershena stattya z matematiki Vi mozhete dopomogti proyektu vipravivshi abo dopisavshi yiyi