11. Równania różniczkowe I#

11.1. Przykład równania różniczkowego: układ RC#

Narration

Figure made with TikZ

Rozważmy obwód elektryczny, w którym szeregowo połączone są:

  • źródło napięcia o sile elektromotorycznej \(e(t)\) zależnej od czasu \(t\in \rr\),

  • opornik o stałej rezystancji \(R>0\)

  • kondensator o stałej pojemności \(C>0\).

    Zmienne napięcie między okładkami kondensatora oznaczmy przez \(u(t)\).

    Prąd o zmiennym natężeniu \(i(t)\) płynie w obwodzie w kierunku zaznaczonym na schemacie.

Jeśli \(Q(t)\) oznacza ładunek na okładce kondensatora w chwili \(t\), to dla każdego \(t\in\rr\) mamy:

\[ \begin{aligned} u_R(t) & = R\cdot i(t), & i(t) & = \Diff[t]{Q}(t), & Q(t) & = C\cdot u(t), \end{aligned} \]

gdzie \(u_R(t)\) oznacza zmienne w czasie napięcie na oporności \(R\).

Zgodnie z drugim prawem Kirchoffa \(u(t) + u_R(t) = e(t)\).

Z tego otrzymujemy, że

(11.1)#\[u(t) + RC\cdot\Diff[t]{u}(t) = e(t).\]

Jeśli założymy, że funkcja \(e:\rr\to\rr\) jest określona, to otrzymaliśmy równanie na funkcję \(u:\rr\to\rr\), w którym występuje również pochodna \(\displaystyle \dot u = \Diff[t]{u}:\rr\to\rr\) tej funkcji.

Jest to przykład równania różniczkowego, które zwięźle możemy zapisać w postaci

\[RC\cdot\dot u + u = e.\]

Możemy zadać szereg pytań:

  1. Czy istnieje funkcja \(u:\rr\to\rr\) spełniająca równanie (11.1)?

  2. Jaki jest zbiór wszystkich funkcji \(u:\rr\to\rr\), które spełniają to równanie?

  3. Zakładając dodatkowo, że dla \(t_0\in\rr\) ustalimy wartość \(u(t_0) = u_0\in\rr\), jakie będą odpowiedzi na powyższe pytania?

  4. Jakie będą odpowiedzi na te pytania jeśli zawężymy dziedziny funkcji \(e\) i \(u\) do \(t\in[t_0,t_1]\), gdzie \(t_1 > t_0\)?

Nim odpowiemy na te pytania sformułujmy ogólne pojęcie równania różniczkowego.

11.2. Definicja równania różniczkowego#

Narration

Niech \(n\in\nn\).

Definicja 11.1

Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu \(n\) nazywamy równanie

(11.2)#\[F \left(t,u,\dot u, \ddot u, \ldots, u^{(n)}\right) = 0,\]

w którym:

  • \(F:I\times X\to\rr\) jest funkcją określoną na dziedzinie \(I\times X\subseteq \rr\times\rr^{n+1}\)

  • \(t\in I\) jest zmienną niezależną określoną na przedziale \(I\)

  • \(u:I\to\rr\) jest funkcją zmiennej \(t\), dla której istnieją wszystkie pochodne do rzędu \(n\)

  • używamy oznaczeń \(\displaystyle\dot u = \Diff[t]{u}\), \(\displaystyle\ddot u = \Diff[t^2]{^2 u}\), etc..

Uwaga 11.1

  1. Przymiotnik „zwyczajne” wskazuje, że występuje tylko jedna zmienna niezależna.

    Rozważa się również równania różniczkowe cząstkowe, o większej liczbie zmiennych niezależnych.

  2. Litery \(u\), \(t\) występujące w powyższej definicji są umowne i nawiązują do przykładu (11.1), jednakże czasami bardziej intuicyjnie jest rozważać równania, w których zamiast funkcji \(u(t)\) mamy \(y(x)\), \(x(t)\), \(v(t)\), etc..

  3. Oznaczenie kropką pochodnej względem zmiennej oznaczonej literą \(t\), czyli \(\displaystyle\dot u = \Diff[t]{u}\), jest zwyczajowe.

    W równaniach na funkcje zmiennej \(x\) stosujemy standardowe oznaczenie, czyli \(\displaystyle y' = \Diff{y}\) lub \(\displaystyle u' = \Diff{u}\), etc..

Definicja 11.2

Całką szczególną lub rozwiązaniem szczególnym równania różniczkowego (11.2) na przedziale \(I\subseteq\rr\) nazywamy dowolną funkcję \(u:I\to \rr\) taką, że

\[ \forall t\in I \qquad F\left(t,u(t),\dot u(t), \ddot u(t), \ldots, u^{(n)}(t)\right) = 0. \]

Wykres każdego takiego rozwiązania \( \Gamma = \Set{ (t,u(t)) : t\in I } \subseteq \rr^2 \) nazywamy krzywą całkową .

Przykład 11.1

Rozważmy „najprostsze” równanie różniczkowe pierwszego rzędu

\[\dot u = 0.\]

na pewnym przedziale \(I\subseteq \rr\).

Zakładając, że funkcja \(u:I \to \rr\) jest różniczkowalna wiemy, że jest na tym przedziale stała, co zapisujemy:

\[u(t) = C, \qquad \text{gdzie } C\in \rr \text{ jest pewną stałą.}\]

Znaleźliśmy wszystkie całki szczególne rozważanego równania.

Ćwiczenie 11.1

Sprawdźmy, czy funkcja \(u(t) = c\cdot e^{6t}\), gdzie \(c\in\rr\), jest rozwiązaniem równania \(\ddot u -36u = 0\)?

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 13.12, Ćw. 13.16.

Ćwiczenie 11.2

Znajdźmy rozwiązania równania różniczkowego \(\dot u = t\sin t\) i przedstawmy na wykresie krzywe całkowe.

SageMath (Ukryj)

../_images/398fb0ada909b4f860a3b00b35423ea5e6dc7fca3c31890e1205c0da7f323895.png

Definicja 11.3

Dla ustalonych liczb \(t_0\in I\), \(u_0, u_1, \ldots, u_{n-1} \in \rr\), warunek:

\[u(t_0) = u_0,\quad \dot u(t_0) = u_1,\ldots,\quad u^{(n-1)}(t_0) = u_{n-1},\]

dołączony do równania (11.2) nazywamy warunkiem początkowym Cauchy’ego .

Zagadnieniem Cauchy’ego nazywamy problem znalezienia całki szczególnej równania różniczkowego spełniającej dany warunek Cauchy’ego, czyli:

\[\begin{split} & F\left(t,u,\dot u, \ddot u, \ldots, u^{(n)}\right) = 0, \\ & u(t_0) = u_0,\quad \dot u(t_0) = u_1,\ldots,\quad u^{(n-1)}(t_0) = u_{n-1}. \end{split}\]

Ćwiczenie 11.3

Znajdź rozwiązanie zagadnienia Cauchy’ego: \(\quad \dot u = t\sin t,\quad u(\pi) = 0\).

Definicja 11.4

Całką ogólną lub rozwiązaniem ogólnym równania różniczkowego (11.2) rzędu \(n\) nazywamy zbiór (rodzina) całek szczególnych tego równania \(\Solutions{}\) zależny od \(n\) parametrów, o tej własności, że dla każdego warunku początkowego Cauchy’ego

\[ u(t_0) = u_0 \in \rr,\quad \dot u(t_0) = u_1 \in \rr, \ldots,\quad u^{(n-1)}(t_0) = u_{n-1} \in \rr, \]

istnieje całka szczególna \(u\in \Solutions{}\) spełniająca ten warunek początkowy.

Narration

Rozwiązanie równania różniczkowego polega na znalezieniu jego całki ogólnej.

Przykład 11.2

Dla równania \(\dot u = 0\) całkę ogólną stanowi rodzina

\[\Solutions{} = \Set{u(t) = C : C\in\rr}.\]

Istotnie, dla dowolnego warunku początkowego Cauchy’ego \( u(t_0) = u_0 \in \rr, \) możemy przyjąć \(C = u(t_0) = u_0\).

Zatem całkę szczególną spełniającą ten warunek Cauchy’ego jest funkcja \(u:\rr \to \rr\), \(u(t) = u_0.\)

Ćwiczenie 11.4

Pokażmy, że zbiór rozwiązań równania różniczkowego \(\dot u = t\sin t\) znalezionych w Ćw. 11.2 jest rozwiązaniem ogólnym tego równania.

Przykład 11.3

Całka ogólna równania różniczkowego nie musi zawierać wszystkich jego całek szczególnych.

Na przykład, dla równania \(\displaystyle \dot u = 3\cdot u^{\frac 2 3}\) mamy całkę ogólną

\[\Solutions{} = \Set{u(t) = (t+C)^3 : C \in \rr}.\]

Istotnie, dla \(u \in \Solutions{}\) mamy

\[ \dot u = \Diff[t]{} \left[ (t+C)^3 \right] = 3\cdot (t+C)^2 = 3\cdot \left[ (t+C)^3 \right]^{\frac 2 3} = 3\cdot u^{\frac 2 3}, \]

więc są to rozwiązania szczególne.

Ponadto

\[ u(t_0) = u_0 \qlq (t_0+C)^3 = u_0 \qlq C = u_0^\frac 1 3 - t_0, \]

więc dla każdego warunku początkowych Cauchy’ego istnieje całka szczególna w \(\Solutions{}.\)

Jednakże funkcja \(u(t)\equiv 0\) jest również rozwiązaniem tego równania, lecz nie należy do \(\Solutions{}\).

11.3. Interpretacja geometryczna#

Narration

Załóżmy, że równanie różniczkowe pierwszego rzędu da się przedstawić w postaci

\[ \dot u = f(t,u), \]

gdzie funkcja \(f:I\times U \to \rr\) jest ciągła; \(I, U \subseteq \rr\) są pewnymi przedziałami.

Jeśli funkcja \(u:I\to U\) jest rozwiązaniem tego równania, to styczna do jej wykresu w punkcie \((t_1, u(t_1))\) ma równanie

\[y = a\cdot(x - t_1) + u(t_1),\]

przy czym zgodnie z równaniem różniczkowym współczynnik nachylenia jest równy

\[a = \dot u(t_1) = f(t_1, u(t_1)).\]

Jeśli zaznaczymy na płaszczyźnie te proste styczne, to otrzymamy orientacyjną informację w jaki sposób przebiegają krzywe całkowe.

SageMath (Ukryj)

../_images/823809e443460f79feb4398f235c4f939ab4e94b160e67c56cc72a0ef4748ce8.png

Przykład 11.4

Rozważmy równanie

\[\dot u = -u.\]

Na powyższym rysunku czarnymi przedziałami zaznaczono schematycznie styczne do krzywych całkowych tego równania.

Zauważmy, że na każdej prostej poziomej \(u=u_1\) nachylenie prostych stycznych jest takie samo (współczynnik nachylenia jest równy \(-u_1\)), gdyż prawa strona równania zależy jedynie od zmiennej \(u\).

Kolorowe krzywe przedstawiają pewne krzywe całkowe.

Przebieg pozostałych można z grubsza wywnioskować na podstawie nachylania stycznych.

11.4. Przykładowe klasy równań#

Przykład 11.5

Jeśli „losowo” wybierzemy równanie różniczkowe zwyczajne, to najczęściej nie będziemy w stanie podać jawnej postaci jego rozwiązań.

Oto kilka klas równań, które umiemy rozwiązywać (i cześć z nich rozwiążemy w toku wykładu):

  1. Równanie o zmiennych rozdzielonych, jeśli można je doprowadzić do postaci

    \[\displaystyle \dot u = \frac {f(t)}{g(u)},\]

    gdzie \(f,g\) są funkcjami ciągłymi na pewnym przedziale, \(g\neq 0\).

    Na przykład:

    \[ \begin{aligned} \Diff[t]{u} & = u^2\cdot t , & RC\cdot \dot u + u & = 0 , & y' \cdot e^x - \sqrt y & = 0 . \end{aligned} \]
  2. Równanie liniowe pierwszego rzędu, jeśli można je doprowadzić do postaci

    \[\displaystyle \dot u + p(t)\cdot u = f(t),\]

    gdzie \(p,f\) są funkcjami ciągłymi na pewnym przedziale.

    Na przykład:

    \[ \begin{aligned} \dot u - 2u & = e^{-t} , & RC\cdot \dot u + u & = e(t) , & y' \cdot e^x - y\cdot\cos x + \sqrt{x} & = 0 . \end{aligned} \]
  3. Równanie liniowe rzędu \(n\), jeśli można je doprowadzić do postaci

    \[\displaystyle u^{(n)} + p_{n-1}(t)\cdot u^{(n-1)} + \ldots + p_1(t)\cdot \dot u + p_0(t)\cdot u = f(t),\]

    gdzie \(p_{n-1},\ldots, p_1, p_0 ,f\) są funkcjami ciągłymi na pewnym przedziale.

    Na przykład:

    \[ \begin{aligned} \ddot u + 3\dot u + u & = 0 , & \ddot u + 3\dot u + u & = e^{-t} , & \dddot u - \sin t \cdot \dot u & = \cos(3t) . \end{aligned} \]
  4. Równanie Bernoulli’ego, jeśli można je doprowadzić do postaci

    \[\displaystyle \dot u = p(t)\cdot u + q(t)\cdot u^\alpha,\]

    gdzie \(p,q\) są funkcjami ciągłymi na pewnym przedziale, \(\alpha\in\rr\).

    Na przykład:

    \[ \begin{aligned} RC\cdot \dot u & = -u + e(t) , & \dot u - 2u & = \sin(3t)\cdot u^2 . \end{aligned} \]
  5. Jest wiele innych typów równań, które umiemy rozwiązywać oraz takie o rozwiązaniu których możemy tylko pomarzyć:

    \[ \begin{aligned} (\dot u)^2 + \sqrt u\cdot e^{\pi t} & = \ln t & \sin(y') \cdot y'' - \arctg x & = 0 . \end{aligned} \]

11.5. Równania o zmiennych rozdzielonych#

Narration

Niech \(f: (a,b) \to \rr\), \(g: (c,d) \to \rr\) będą funkcjami ciągłymi, przy czym \(\forall u\in (c,d) \ g(u)\neq 0\).

Definicja 11.5

Równanie różniczkowe, które można doprowadzić do postaci

(11.3)#\[\begin{aligned} \displaystyle \Diff[t]{u} = \frac {f(t)}{g(u)} \end{aligned}\]

nazywamy równaniem różniczkowym o zmiennych rozdzielonych .

Narration

Rozwiązanie równania (11.3) znajdujemy mnożąc je obustronnie przez \(g(u)\), a następnie całkując względem \(t\):

\[\begin{split} \dot u & = \frac {f(t)}{g(u)} \qquad\Leftrightarrow & g(u)\cdot \dot u & = f(t) \\ & & \Int[t]{ g(u(t))\cdot \dot u (t) } & = \Int[t]{ f(t) } . \end{split}\]

Podstawiając w całce z lewej strony \(v = u(t)\), otrzymamy \(dv = \dot u (t)\ dt\), więc

\[ \Int[v]{ g(v)} = \Int[t]{ f(t) }. \]

Zauważmy, że tą samą zależność (jedynie z innymi oznaczeniami \(v=u\)) otrzymalibyśmy dostawiając obustronnie znak całki do równania (11.3) pomnożonego przez \(g(u)\, dt\)

\[\begin{split} \dot u & = \frac {f(t)}{g(u)} \qquad\Leftrightarrow & g(u)\, du & = f(t)\, dt \\ & & \Int[u]{ g(u) } & = \Int[t]{ f(t) } . \end{split}\]

Jeśli przez \(F, G\) oznaczymy funkcje pierwotne odpowiednio funkcji \(f, g\), to otrzymamy

\[G(u) = F(t) + C,\]

gdzie \(C\in \rr\) jest stałą całkowania.

Jeśli funkcja \(G\) jest odwracalna na \((c,d)\), to w ostateczności otrzymamy całkę ogólną

\[u(t) = G^{-1}\left( F(t) + C \right), \qquad C\in\rr.\]

Jeśli chcemy znaleźć całkę szczególną, możemy od razu posługiwać się całką oznaczoną.

Przyjmując warunek początkowy \(u(t_0) = u_0\) dostaniemy zależność

\[\begin{split} \IntDef[v]{u_0}{u(t)}{ g(v) } & = \IntDef[s]{t_0}{t}{ f(s) } \\ u(t) & = G^{-1}\left( \IntDef[s]{t_0}{t}{ f(s) } + G(u_0) \right) = G^{-1}\left( F(t) - F(t_0) + G(u_0) \right). \end{split}\]

Ćwiczenie 11.5

Rozwiążmy równanie

\[ \Diff[t]{u} = u^2\cdot t . \]

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 13.13.

SageMath (Ukryj)

../_images/088a00d71378f4831aa433742ca00825d24a4e51af98aa6a56317310636aa3c9.png

Ćwiczenie 11.6

Znajdźmy całkę ogólną równania \( \quad RC\cdot \dot u + u = 0\), \(\quad\) oraz rozwiązanie spełniające warunek \(u(1) = 2.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 13.13, Ćw. 13.14.

Ćwiczenie 11.7

Rozwiążmy zagadnienie Cauchy’ego: \(\quad y' \cdot e^x - \sqrt y = 0,\quad y(0) = 1. \)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 13.13, Ćw. 13.17.

SageMath (Ukryj)

../_images/638f88ba104c034e2e60955f24f6b93af113aff742958419c99bfe35697fc2c2.png

11.6. Równania liniowe pierwszego rzędu#

Narration

Niech \(p, f: (a,b) \to \rr\) będą funkcjami ciągłymi.

Definicja 11.6

Równanie różniczkowe, które można doprowadzić do postaci

(11.4)#\[\begin{aligned} \Diff[t]{u} + p(t)\cdot u = f(t) \end{aligned}\]

nazywamy równaniem różniczkowym liniowym pierwszego rzędu.

Narration

Równanie liniowe pierwszego rzędu (11.4) rozwiążemy metodą uzmienniania stałej, która składa się z dwóch kroków:

  1. Rozwiązujemy jednorodne równanie liniowe pierwszego rzędu

    \[\Diff[t]{u} + p(t)\cdot u = 0,\]

    które jest równaniem o zmiennych rozdzielonych.

    Wykonując kolejne przekształcenia dla \(u\neq 0\), otrzymujemy:

    \[\begin{split} \begin{aligned} \frac 1 u \, du & = - p(t) \, dt \\ \Int[u]{\frac 1 u } & = - \Int[t]{ p(t) } \\ \ln |u| & = - \Int[t]{ p(t) } + \ln C_1 \\ |u| & = e^{- \Int[t]{ p(t) } + \ln C_1} = e^{\ln C_1}\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }} = C_1\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }} \end{aligned} \end{split}\]

    gdzie \(C_1>0\) jest stałą, zaś \(\Int[t]{ p(t) }\) oznacza pewną funkcję pierwotną funkcji \(p\).

    Możemy pozbyć się wartości bezwzględnej po lewej stronie równania, zmieniając założenie na stałą \(C_1 \neq 0\).

    Zauważmy ponadto, że \(u(t)\equiv 0\) jest rozwiązaniem równania jednorodnego, które pokrywa się z przyjęciem \(C_1 = 0\).

    Ostatecznie

    \[ u(t) = C\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }}, \qquad \text{gdzie } C \in \rr. \]
  2. Wracamy do wyjściowego równania \( \dot {u} + p(t)\cdot u = f(t)\).

    Okazuje się, że jego rozwiązanie jest postaci

    (11.5)#\[u(t) = C(t)\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }},\]

    gdzie \(C:(a,b)\to \rr\) jest funkcją, która spełnia równanie różniczkowe wynikające ze wstawienia (11.5) do równania (11.4).

    Zauważmy, że

    \[\begin{split} \begin{aligned} \Diff[t]{u}(t) & = \Diff[t]{}\left[ C(t)\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }} \right] \\ & = \Diff[t]{C}(t)\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }} + C(t)\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }} \cdot\Diff[t]{}\left[- \Int[t]{ p(t) }\right] \\ & = \Diff[t]{C}(t)\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }} - p(t)\cdot C(t)\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }} \\ & = \Diff[t]{C}(t)\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }} - p(t)\cdot u(t), \end{aligned} \end{split}\]

    zatem po wstawieniu (11.5) do równania (11.4) otrzymamy

    \[\begin{split} \begin{aligned} \left[ \Diff[t]{C}(t)\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }} - \cancel{p(t)\cdot u(t)} \right] + \cancel{p(t)\cdot u(t)} & = f(t) \\ \Diff[t]{C}(t)\cdot e^{- \Int[t]{ p(t) }} & = f(t) \qlq \Diff[t]{C}(t) = f(t)\cdot e^{\Int[t]{ p(t) }} \end{aligned} \end{split}\]

    i ostatecznie

    \[ C(t) = \Int[t]{ f(t)\cdot e^{\Int[t]{ p(t) }} }. \]

Ćwiczenie 11.8

Znajdźmy rozwiązanie równania \(\quad \dot u - 2u = e^{-t}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 13.14, Ćw. 13.17, Ćw. 13.18.

SageMath (Ukryj)

../_images/3a8325d8bf572f7ab4177faf393f9239acd71518f2368e97c523d7ad68b91200.png

Ćwiczenie 11.9

Znajdźmy rozwiązanie zagadnienie Cauchy’ego:

\[RC\cdot \dot u + u = \sin t ,\quad u(0) = u_0,\]

które odpowiada wzbudzeniu obwodu z Rozdział 11.1 siłą elektromotoryczną zależną od czasu \(e(t) = \sin t\) ze stanu, w którym napięcie między okładkami kondensatora w chwili \(t_0 = 0\) jest równe \(u_0.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 13.14, Ćw. 13.18.

SageMath (Ukryj)

../_images/d2a80f892d2327973dec63038b6220d3ce42195ca3bdfba5e36c5f284337c94c.png