Giáo trình Toán cao cấp A2
Trong toán học người ta gọi các định lý hàm ẩn là các định lý khẳng định sự tồn tại của hàm ẩn và đạo hàm của nó. Dưới đây là định lý cơ bản cho hàm ẩn một biến
Tóm tắt nội dung Giáo trình Toán cao cấp A2, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút "TẢI VỀ" ở trên
tầm by hoangly85 117 Vì chỉ cần chọn ữ nghiệm riêngờ nên có thể chọn cụ thể c1 = 0 , c2 = 0. vậy , cho nên ầ và nhý vậy nghiệm tổng quát của phýõng trình ban ðầu là ầ Lýu ý: Nếu vế phải của phýõng trình vi phân có dạng tổng của ị hàm số fậxấ ụ f1(x) + f2(x), thì khi ðó có thể giải phýõng trình với riêng vế phải là từng hàm f1(x), f2(x) ðể tìm nghiệm riêng là yr1, yr2. Cuối cùng dễ kiểm lại làầ nghiệm riêng của phýõng trình ban ðầu là yr ụ yr1, yr2 (theo nguyên lý chồng chất nghiệmấề V. PHÝÕNG TRÌNH VI PHÂN TUYẾN TÍNH HỆ SỐ HẰNG 1. Khái niệm chung y(n) + a1y(n-1) + a2y(n-2) + ề ự any ụ fậxấ ậữấ trong ðó a1, a2, ềềờ an là các hằng số Trong phần sau ta trình bày kỹ phýõng trình cấp haiề 2. Phýõng trình cấp hai thuần nhất Xét phýõng trình ầ y ự py ự qy ụ fậxấ ậịấ trong ðó pờ q là hằng số Ta tìm nghiệm của nó ở dạng ầ y ụ ekx ậĩấ Thế ậĩấ vào ậịấ ta cóầ ậk2 + pk +q) ekx = 0 (k2 + pk +q) = 0 (4) GIÁO TRÌNH TOÁN CAO CẤP A2 Sýu tầm by hoangly85 118 Phýõng trình ậởấ gọi là phýõng trình ðặc trýng của phýõng trình ậịấờ và cũng từ ậ4) cho thấy y ụ ekx là nghiệm của ậịấ khi và chỉ khi k là nghiệm của ậởấề ắo ðó dựa vào việc giải phýõng trình bậc ị nàyờ ta có các khả nãng sauầ a). Phýõng trình ðặc trýng ậởấ có ị nghiệm phân biệt k1,k2 ( > 0): Khi ðó ị nghiệm y1 = ek1x , y2 = ek2x là ị nghiệm riêng của ậịấờ và nên ị nghiệm riêng này ðộc lập tuyến tínhề Vậy khi ðó nghiệm tổng quát của ậịấ sẽ làầ y ụ ũ1ek1x + C2ek2x b). Phýõng trình ðặc trýng ậởấ có ữ nghiệm kép k ậ = 0). Khi ðó nghiệm y1 = ekx là 1 nghiệm riêng của ậịấờ và nghiệm riêng thứ hai ðộc lập tuyến tính với nó có dạng y ụ u(x).y1 = u(x).ekx y2 ụ kềekx ề uậxấ ự uậxấềekx y2ụ k2.ekx.u(x) + 2kuậxấềekx ự ekxềuậxấ Thế vào phýõng trình ậịấ ta có ầ (k2.u + 2kuự uấ ekx ự pậku ự uấ ekx ự q ekxu ụ ế u ự ậịk ựpấu ự ậk2 + pk + q)u = 0 Do k là nghiệm kép của ậởấ nên ầ k = -p/2 2k +p = 0 và ậk2 + pk + q) =0 từ ðó ầ u ụ ế u = C1x + C2 Do chỉ cần chọn ữ nghiệm nên lấy ũ1 = 1, C2 =0 , và nhý thế có ầ y2 = x ekx Và nghiệm tổng quát của ậịấ làầ y ụ ậ ũ1+ C2x) ekx c). Phýõng trình ðặc trýng ậởấ có ị nghiệm phức liên hiệp k1,2 = , 0 ( < 0). Khi ðó ị nghiệm của ậịấ có dạng ầ Khi ðó ầ GIÁO TRÌNH TOÁN CAO CẤP A2 Sýu tầm by hoangly85 119 cũng là ị nghiệm của ậịấ và nên chúng ðộc lập tuyến tínhề Từ ðó ta có nghiệm tổng quát của ậịấ là ầ y ụ ậ ũ1cos x + C2 sin x) e x Thí dụ 1: Giải phýõng trình ầ y ự ĩy 4y = 0 Phýõng trình ðặc trýng týõng ứng có dạng ầ k2 + 3k -4 = 0 k1 =1 , k2= -4 Vậy nghiệm tổng quát của phýõng trình thuần nhất là ầ y ụ ũ1ex + C2e-4x Thí dụ 2: Giải phýõng trình ầ y ự ởy ự ởy ụ ế Phýõng trình ðặc trýng týõng ứng có dạng ầ k2 + 4k +4 = 0 k1,2 =2 Vậy nghiệm tổng quát của phýõng trình là ầ y ụ ậũ1 + C2 x)e2x Thí dụ 3: Giải phýõng trình ầ y ự ẳy ự ữĩy ụ ế Phýõng trình ðặc trýng týõng ứng có dạng ầ k2 + 6k +13 = 0 k1,2 =-3 2 i Vậy nghiệm tổng quát của phýõng trình thuần nhất làầ y = ( C1 cos 2x + C2 sin 2x)e-3x 3. Phýõng trình cấp hai không thuần nhất vế phải có dạng ðặc biệt Xét phýõng trình vi phân cấp hai hệ số hằng không thuần nhất ầ y ự py ự qy ụ fậxấ ậỏấ Qua việc trình bày tìm nghiệm tổng quát của phýõng trình cấp hai thuần nhất týõng ứngờ và dựa vào ðịnh lý ịờ mục ỗỗềữ ằằ thì ðể có nghiệm tổng quát của ậỏấ ta cần tìm ðýợc ữ nghiệm riêng của ậỏấề Ngoài phýõng pháp biến thiên hằng số ðã trình bàyờ dýới ðây trình bày phýõng pháp hệ số bất ðịnh ðể tìm một nghiệm riêng cho ậỏấ khi vế phải có dạng ðặc biệt thýờng gặpề GIÁO TRÌNH TOÁN CAO CẤP A2 Sýu tầm by hoangly85 120 3.1 Vế phải fậxấ ụ e x Pn(x) trong ðó ỳnậxấ là ða thức cấp nờ là một số thựcề Khi ðó ta tìm nghiệm riêng của ậỏấ ở dạngầ yr ụ uậxấ ẵnậxấ ậẳ) với ẵnậxấ là ða thức cấp n có ậnựữấ hệ số ðýợc xác ðịnh bằng cách thay ậẳấ vào ậỏấ và ðồng nhất ị vế ta có ậnựữấ phýõng trình ðại số tuyến tính ðể tìm ậnựữấ hệ sốề ổàm u(x) có dạng cụ thể là ầ a). Nếu là nghiệm ðõn của phýõng trình ðặc trýng ậởấờ uậxấ = xe x và khi ðóầ yr ụ xe x Qn(x) b). Nếu là nghiệm kép của phýõng trình ðặc trýng ậởấờ uậxấ ụ x2e x và khi ðóầ yr ụ x2e x Qn(x) c). Nếu không là nghiệm của phýõng trình ðặc trýng ậởấờ uậxấ ụ e x và khi ðóầ yr ụ e x Qn(x) Thí dụ 4: Giải phýõng trình ầ y -4y ự ĩy ụ ĩ e2x Phýõng trình ðặc trýng týõng ứng có dạng ầ k2 - 4k +3 = 0 có nghiệm k1 =1 , k2= 3 nên nghiệm tổng quát của phýõng trình thuần nhất týõng ứng làầ y ụ ũ1ex + C2e3x Mặt khác số = 2 không là nghiệm của phýõng trình ðặc trýngờ nên nghiệm riêng tìm ở dạng yr ụ ồe2x (do Pn(x) =3 ða thức bậc ế ấờ thay vào phýõng trình ðã cho cóầ 4Ae2x - 8Ae2x + 3Ae2x = 3e2x A = -3 Vậy nghiệm tổng quát của phýõng trình là ầ y = C1ex + C2e3x 3e2x Thí dụ 5: Giải phýõng trình ầ y ựy ụ xex ự ĩ e-x Phýõng trình ðặc trýng týõng ứng có dạng ầ k2 +1 = 0 k1,2 = i2 nên nghiệm tổng quát của phýõng trình thuần nhất týõng ứng làầ yo ụ ũ1cos x C2 sin x Do vế phải là tổng của ị hàm f1 = xex , f2 = 2e-x nên ta lần lýợt tìm nghiệm riêng của phýõng trình lần lýợt ứng với vế phải là f1, và f2 : GIÁO TRÌNH TOÁN CAO CẤP A2 Sýu tầm by hoangly85 121 + Với f1 = xex thì = 1 không là nghiệm của phýõng trình ðặc trýng ờ ỳnậxấ ụ x nên nghiệm riêng có dạng ầ yr1 = (Ax+B)ex + Với f2 = 2e-x thì = -1 cũng không là nghiệm của phýõng trình ðặc trýng ờ Pn(x) = 2 nên nghiệm riêng có dạng ầ yr2 = Ce-x Theo nguyên lý xếp chồngờ nghiệm riêng của phýõng trình ðã cho ðýợc tìm ở dạng ầ yr = (Ax+B)ex + Ce-x yr ụ ậồxựửấex - Ce-x + Aex yr ụ ậồxựửấex + Ce-x + 2Aex Thế vào phýõng trình ðã choờ có ầ 2Axex + (2A+2B)ex + 2Ce-x = xex + 2e-x Từ ðóờ ta có ầ ịồ ụữờ ịồ ự ịử ụ ế ờ ịũ ụị Vậy nghiệm tổng quát của phýõng trình là ầ 3.2. Vế phải fậxấ ụ e x [ Pn(x) cos x +Qm(x) sin x ] Trong ðó ỳnậxấờ ẵmậxấ là ða thức bậc nờ m týõng ứngờ , là các số thựcề Khi ðó ta tìm nghiệm riêng của ậỏấ ở dạngầ yr = u(x) [ Rs(x) cos x + Hs(x) sin x ] (7) ( = 0 sẽ týõng ứng trýờng hợp ðã nêu ở trênấờ với s ụ max {mờn}ờ Ởsậxấờ ổsậxấ là ða thức bậc s với ịậsựữấ ðýợc xác ðịnh bằng cách thay ậứấ vào ậỏấ và ðồng nhất ị vế ta có các phýõng trình ðại số tuyến tính ðể tìm các hệ sốề ổàm uậxấ có dạng cụ thể là : a). Nếu là nghiệm của phýõng trình ðặc trýng týõng ứngờ uậxấ ụ e x và khi ðó yr ụ e x [ Rs(x) cos x + Hs(x) sin x ] b). Nếu không là nghiệm của phýõng trình ðặc trýng týõng ứngờ uậxấ ụ xe x và khi ðó ầ yr = e x [ Rs(x) cos x + Hs(x) sin x ] Thí dụ 6: Giải phýõng trình ầ y ự y ụ sin x GIÁO TRÌNH TOÁN CAO CẤP A2 Sýu tầm by hoangly85 122 Phýõng trình ðặc trýng týõng ứng có dạng ầ k2 +1 = 0 có nghiệm k1,2 = i2 nên nghiệm tổng quát của phýõng trình thuần nhất týõng ứng làầ yoụ ũ1cos x C2 sin x Ở ðây = 0, =1, nên i = i là nghiệm của phýõng trình ðặc trýngề ∞ặt khácờ do n =m=0, cho nên s ụ ếề Vậy nghiệm tổng quát ðýợc tìm ở dạngầ yr ụ x(Acosx+Bsinx) yr ụ xậ -Asinx + Bcosx) + (Acosx+Bsinx) yr ụ ịậ -Asinx + Bcosx) + x( -Acosx - Bsinx) yr ự yr ụ -2Asinx + 2Bcosx = sinx -2A = 1, 2B =0 A= -1/2 , B = 0 Vậy nghiệm riêng là ầ Và nghiệm tổng quát là ầ GIÁO TRÌNH TOÁN CAO CẤP A2 Sýu tầm by hoangly85 123 BÀI TẬP CHÝÕNG 4 I. Chứng tỏ rằng hàm số y = f(x) là nghiệm của phýõng trình vi phân týõng ứng 1) xy y ụ ế y = x 2 ; y =1 ; y = c1x2 + c2 2) a) y = 3) x2y ự xy ụ exờ 4) yyụ ịậyấ2 - 2y a) y = 1 ; b) b) y = tgx II. Giải các phýõng trình vi phân sau: 1. x( y2 1 )dx - ( x2 + 1)ydx = 0 2. (x2 - xy)dx - (y2 + x2)dy = 0 3. (x2 + 2xy)dx + xydy = 0 4. ycosx - ysinx = sin2x 5. y = xy ự ylny 6. y - xy = - 7. xy ụ ịậx - ) 8. y ự sinậxựyấ ụ sinậx-y) 9. yụịx-y , y(-3) = (-5) 10. y ụ ex+y + ex-y , y(0) = 0 GIÁO TRÌNH TOÁN CAO CẤP A2 Sýu tầm by hoangly85 124 11. y ụ 12. ycos2x + y = tgx 13. yự = x2 y4 14. ycosx ự y ụ ữ sinx 15. (2xy +3)dy y2dx = 0 ( coi x là hàm số ấ 16. (y4 + 2x)y ụ y ậ coi x là hàm số ấ 17. 18. ydx + ( x + x2y2)dy = 0 ( coi x là hàm số ấ III. Giải các phýõng trình vi phân cấp 2 sau: 1) y ự y ụ ế 2) y ự yy ụ ế 3) y ụ ậyấ2 4) 2(yấ2 = (y - 1)y 5) y2 = 1 + y2 6) y ụ yey 7) (y + yấy ự y2 = 0 8) 3y2 = 4yy ựy2 9) yy y2 = y2lny IV. Giải các bài toán Cauchy sau: 1) xy ự y ụ ếờ yậữấ ụ -3, yậữấ ụ ị 2) 2y ự y2 = -1, y(-1) = 2, yậữấ ụ ế 3) yậx2 + 1) = 2xyờ yậếấ ụ ữề yậếấ ụ ĩ 4) yy y2 = 0, y(0) = 1, yậếấ ụ ị GIÁO TRÌNH TOÁN CAO CẤP A2 Sýu tầm by hoangly85 125 5) y ự 6) 7) Cho phýõng trình , r(0) = R, rậếấ ụ vo Xác ðịnh vo ðể khi t --> thì r --> (bài toán tìm vận tốc vũ trụ cấp haiấ V. Phýõng trình tuyến tính cấp hai 1)Các hàm sau có ðộc lập tuyến tính hay khôngầ a) (x + 1) và ậx2 1) b) x và ậịx ự ữấ c) lnx và lnx2 2) Giải phýõng trình khi biết một nghiệm là y1 a) y ự y ụ ế ờ biết y1 = cosx b) x2y 2y = 0, biết y1 = x2 c) y y 2y = 0, biết y1 = e-x d) 4x2y ự y ụ ếờ x ễ ếờ biết y1 = e) x2y - 5xy ự ạy ụ ếờ biết y1 = x3 f) (1-x2)y 2xy ự ịy ụ ếờ biết y1 = x 3) Tìm nghiệm tổng quát phýõng trình ầ xy (2x + 1)y ự ậx ự ữấy ụ ế 4) Giải phýõng trìnhầ xy ự y ụ x2 5) Giải phýõng trìnhầ y ự GIÁO TRÌNH TOÁN CAO CẤP A2 Sýu tầm by hoangly85 126 Biết một nghiệm của phýõng trình thuần nhất týõng ứng là ầ VI. Phýõng trình vi phân tuyến tính hệ số hằng Giải các phýõng trình sauầ 1) y - 2y 3y = 0 2) y ự ịỏy ụ ế 3) y 2y ựữếy ụ ếờ 4) y ự y ụ ếờ yậếấ ụ ữờ y 5) y - 10y ự ịỏy ụ ếờ yậếấ ụ ếờ yậếấ ụ ữ 6) y -2y -3y = e4x 7) y ự y -2y = cosx 3sinx 8) y 6y ự ≤y ụ ĩx2 +2x +1 9) y ự ởy ụ sinịx ự ữ ờ yậếấ ụ 10) y y = x.cos2x 11) y 2y ự ịy ụ exsinx 12) y ự y ụ tgx 13) y ự ởy ụ cosịxờ yậếấ ụ y 14) y ự ỏy ự ẳy ụ
File đính kèm:
- TCC2.pdf