Сайтът все още се разработва и може да има грешки и неточности. Ако забележиш такава, пиши ни на ninelibera@gmail.com.

Диференциални уравнения

🪐 Още в началото на XIX век астрономите забелязват, че Уран не се движи точно така, както предсказват уравненията на Нютон. През 1846 г. французинът Урбен Льоверие решава, че го „дърпа“ непозната планета, и само с хартия и молив пресмята къде трябва да е тя. На 23 септември 1846 г. Йохан Гале в Берлинската обсерватория насочва телескопа натам и още първата нощ открива Нептун – на около градус от предсказаното място. Казват, че Нептун е открит „на върха на перото“. Уравненията, които Льоверие решава, са диференциални: в тях неизвестното е цяла функция – движението на планетата във времето.

1. Какво е диференциално уравнение?

🤔 Загадка: Коя функция е равна на собствената си ? Константата 0 – да. А друга? Отговорът е exe^x, и всъщност всяка функция CexCe^x. Току-що решихме първото си диференциално уравнение: y′=yy' = y.

О

Диференциално уравнение

Уравнение, в което неизвестното е функция y(x)y(x) и участват нейни производни, се нарича диференциално. Редът му е най-високата производна в него: y′=2xy' = 2x е от първи ред, y′′=−yy'' = -y – от втори. Решение е всяка функция, която го превръща в тъждество.

Обикновено уравнението има безброй решения – цяло семейство. Например y′=2xy' = 2x се решава с интегриране (виж Интеграли): y=x2+Cy = x^2 + C. За да изберем едно решение, ни трябва начално условие, например y(0)=3y(0) = 3, откъдето C=3C = 3.

Т

Поле от направления

Уравнението y′=f(x,y)y' = f(x, y) казва какъв е наклонът на решението във всяка точка (x; y)(x;\ y). Ако начертаем малка чертичка с този наклон в много точки, получаваме „карта“, по която решенията текат. При добри условия през всяка точка минава точно едно решение.
−3−2−1123−2−11230xy

начално условие y(0) = 1 · наклон там 0

Решенията са параболите y = x²/2 + C – една и съща крива, преместена нагоре или надолу.

💡 Всяка чертичка показва наклона y′ в тази точка. Решението на уравнението е крива, която във всяка своя точка следва чертичките. Премести началната точка – получаваш друго решение от същото семейство.

2. Уравнения с разделящи се променливи

Ако уравнението има вида dydx=g(x)⋅h(y)\frac{dy}{dx} = g(x) \cdot h(y), можем да „разделим“ променливите – всичко с yy отляво, всичко с xx отдясно – и да интегрираме двете страни: ∫dyh(y)=∫g(x) dx\int \frac{dy}{h(y)} = \int g(x)\,dx. Тук записът на Лайбниц dydx\frac{dy}{dx} наистина се държи като дроб.

Пример

Да решим y′=kyy' = ky (скоростта на изменение е пропорционална на количеството).

  1. dyy=k dx⇒∫dyy=∫k dx\frac{dy}{y} = k\,dx \Rightarrow \int \frac{dy}{y} = \int k\,dx
  2. ln⁡∣y∣=kx+C1⇒∣y∣=eC1ekx\ln |y| = kx + C_1 \Rightarrow |y| = e^{C_1} e^{kx}
  3. Общо решение: y=Cekxy = Ce^{kx}; при x=0x = 0 имаме y(0)=Cy(0) = C – началното количество.

Пример

Да решим y′=xyy' = xy с начално условие y(0)=2y(0) = 2.

  1. dyy=x dx⇒ln⁡∣y∣=x22+C1\frac{dy}{y} = x\,dx \Rightarrow \ln |y| = \frac{x^2}{2} + C_1
  2. y=Cex2/2y = Ce^{x^2/2}
  3. От y(0)=C=2y(0) = C = 2: y=2ex2/2y = 2e^{x^2/2}

3. Растеж, разпад и изстиване

Т

Експоненциален растеж и разпад

Решението на y′=kyy' = ky е y=y0ekty = y_0 e^{kt}. При k>0k > 0 количеството се удвоява за едно и също време T2=ln⁡2kT_2 = \frac{\ln 2}{k}; при k<0k < 0 намалява наполовина за време T1/2=ln⁡2∣k∣T_{1/2} = \frac{\ln 2}{|k|} – периода на полуразпад. Затова y=y0⋅2t/T2y = y_0 \cdot 2^{t/T_2} и y=y0⋅(12)t/T1/2y = y_0 \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^{t/T_{1/2}}.
Доказателство
  1. Проверка: y=y0ekty = y_0 e^{kt} има производна y′=y0⋅kekt=kyy' = y_0 \cdot k e^{kt} = ky – решение е.
  2. Други решения няма. При разделянето на променливите делихме на yy – а ако yy някъде е 0? Ето доказателство без деление: нека yy е произволно решение и u=ye−ktu = y e^{-kt}. По правилото за производна на произведение u′=y′e−kt−kye−ktu' = y' e^{-kt} - k y e^{-kt} =(y′−ky)e−kt=0= (y' - ky) e^{-kt} = 0
  3. Функция с нулева производна в интервал е константа: u=Cu = C. Тогава y=Cekty = C e^{kt}, а от t=0t = 0 получаваме C=y0C = y_0. (Тук влиза и решението y=0y = 0 при y0=0y_0 = 0.)
  4. Време за удвояване: y0ekT2=2y0  ⟺  ekT2=2  ⟺  T2=ln⁡2ky_0 e^{kT_2} = 2y_0 \iff e^{kT_2} = 2 \iff T_2 = \frac{\ln 2}{k}. Полуразпадът е аналогичен с ekT1/2=12e^{kT_{1/2}} = \frac{1}{2}.
  5. Тогава ek=21/T2e^{k} = 2^{1/T_2} и y=y0(ek)t=y0⋅2t/T2y = y_0 \left(e^{k}\right)^t = y_0 \cdot 2^{t/T_2}

∎

Така се размножават , така расте влог при непрекъсната лихва и така се разпадат радиоактивните ядра – и на това се основава . Друг класически пример е законът на Нютон за изстиването: скоростта, с която тялото изстива, е пропорционална на разликата между неговата температура и тази на околната среда.

Т

Закон на Нютон за изстиването

T′=−k(T−Ts)T' = -k(T - T_s), където TsT_s е температурата на околната среда. Полагаме u=T−Tsu = T - T_s: u′=−kuu' = -ku, значи u=u0e−ktu = u_0 e^{-kt} и T(t)=Ts+(T0−Ts)e−ktT(t) = T_s + (T_0 - T_s)e^{-kt}.
0°20°40°60°80°100°0102030405060минутистая 20°
T(10) =62,5°T′(0) =−3,5° за минутадо 60°:11,2 мин

Колкото по-голяма е разликата със стаята, толкова по-бързо изстива – затова кривата е стръмна в началото.

💡 T₀ – началната температура, Tₛ – температурата на стаята, k – колко бързо изстива (зависи от чашата). Температурата клони към тази на стаята, но никога не я достига точно.

Растежът не може да е експоненциален вечно – храната и мястото свършват. По-реалистичен е логистичният модел y′=ry(1−yK)y' = ry\left(1 - \frac{y}{K}\right): докато yy е малко, расте почти експоненциално, а близо до капацитета KK растежът спира. Пробвай го в полето от направления по-горе.

4. Трептения: уравнение от втори ред

По пружината дърпа тежестта обратно със сила, пропорционална на отклонението: F=−cxF = -cx. От F=mx′′F = mx'' получаваме x′′=−cmxx'' = -\frac{c}{m}x – уравнение, в което участва втората производна ().

Т

Хармонично трептене

Решенията на x′′=−ω2xx'' = -\omega^2 x са x(t)=Acos⁡(ωt+φ)x(t) = A\cos(\omega t + \varphi) – трептене с амплитуда AA и период T=2πωT = \frac{2\pi}{\omega}. Двете константи AA и φ\varphi се определят от две начални условия: положението x(0)x(0) и скоростта x′(0)x'(0).

Пример

Да проверим, че x=sin⁡3tx = \sin 3t е решение на x′′+9x=0x'' + 9x = 0, и да намерим периода.

  1. x′=3cos⁡3tx' = 3\cos 3t, x′′=−9sin⁡3tx'' = -9\sin 3t
  2. x′′+9x=−9sin⁡3t+9sin⁡3t=0x'' + 9x = -9\sin 3t + 9\sin 3t = 0 ✓
  3. Тук ω=3\omega = 3, така че T=2π3≈2,09T = \frac{2\pi}{3} \approx 2{,}09
Доказателство
  1. Проверка: ако x=Acos⁡(ωt+φ)x = A\cos(\omega t + \varphi), то x′=−Aωsin⁡(ωt+φ)x' = -A\omega \sin(\omega t + \varphi) и x′′=−Aω2cos⁡(ωt+φ)=−ω2xx'' = -A\omega^2 \cos(\omega t + \varphi) = -\omega^2 x.
  2. Период: cos⁡\cos се повтаря през 2π2\pi, а ωt\omega t нараства с 2π2\pi точно когато tt нараства с T=2πωT = \frac{2\pi}{\omega}.
  3. Всякакви начални условия могат да се постигнат: трябва Acos⁡φ=x(0)A\cos \varphi = x(0) и −Aωsin⁡φ=x′(0)-A\omega \sin \varphi = x'(0), т.е. точката (x(0); −x′(0)ω)\left(x(0);\ -\frac{x'(0)}{\omega}\right) да е на разстояние AA от началото под ъгъл φ\varphi. Такива A≥0A \ge 0 и φ\varphi винаги има.
  4. Единственост (чрез „енергия“): нека x1x_1 и x2x_2 са решения с едни и същи начални условия и d=x1−x2d = x_1 - x_2. Тогава d′′=−ω2dd'' = -\omega^2 d и d(0)=d′(0)=0d(0) = d'(0) = 0. Разглеждаме E=(d′)2+ω2d2E = (d')^2 + \omega^2 d^2: E′=2d′d′′+2ω2dd′E' = 2d' d'' + 2\omega^2 d d' =2d′(d′′+ω2d)=0= 2d'(d'' + \omega^2 d) = 0
  5. Значи EE е константа, а E(0)=0E(0) = 0. Сбор от два квадрата е 0 само ако и двата са 0, затова d=0d = 0 за всяко tt, т.е. x1=x2x_1 = x_2. Затова формулата Acos⁡(ωt+φ)A\cos(\omega t + \varphi) описва всички решения.

∎

5. Когато формула няма: метод на Ойлер

Повечето диференциални уравнения нямат решение, което да се запише с формула. Тогава ги решаваме числено. Най-простият метод е на Леонард Ойлер (1768): от точката (xn; yn)(x_n;\ y_n) правим малка стъпка hh по допирателната: yn+1=yn+h⋅f(xn,yn)y_{n+1} = y_n + h \cdot f(x_n, y_n).

12345−112340xy
h =3Ойлер y(6) ≈1точно y(6) =0,199грешка0,801

Разпад: при твърде голяма стъпка Ойлер „прескача“ под нулата.

💡 От началната точка тръгваме по допирателната (наклонът е y′ от уравнението), правим стъпка h, пресмятаме новия наклон и пак. Така работят и компютрите – само че с много малки стъпки и по-хитри формули.

Пример

Да пресметнем приближено y(1)y(1) за y′=yy' = y, y(0)=1y(0) = 1 (точно: e≈2,718e \approx 2{,}718).

  1. С h=1h = 1 (една стъпка): y1=1+1⋅1=2y_1 = 1 + 1 \cdot 1 = 2
  2. С h=0,5h = 0{,}5: y1=1,5y_1 = 1{,}5, y2=1,5+0,5⋅1,5=2,25y_2 = 1{,}5 + 0{,}5 \cdot 1{,}5 = 2{,}25
  3. С h=0,1h = 0{,}1 (10 стъпки): 1,110≈2,5941{,}1^{10} \approx 2{,}594 – все по-близо до ee
Защо методът на Ойлер дава точно ee в границата?
  1. За y′=yy' = y стъпката е yn+1=yn+hyn=(1+h)yny_{n+1} = y_n + h y_n = (1 + h) y_n – на всяка стъпка умножаваме по 1+h1 + h.
  2. С nn стъпки от 0 до 1 имаме h=1nh = \frac{1}{n} и y(1)≈(1+1n)ny(1) \approx \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n
  3. Това е редицата от втората забележителна граница (урока „Граници“), затова при n→∞n \to \infty приближенията клонят към ee – точната стойност y(1)y(1).

∎

6. Тренажор

Реши уравнението или направи стъпките на Ойлер. Десетичните отговори въвеждай като 2,25.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0
y′′+4y′+3y=0y'' + 4y' + 3y = 0

При кое по-голямо kk функцията y=ekxy = e^{kx} е решение?

7. Диференциалните уравнения около нас

Законите на физиката почти винаги са диференциални уравнения: движението на планетите (виж Закони на Кеплер), разпространението на топлина, в електрическа верига. С тях се моделират и епидемии, , лекарства в кръвта и цените на финансовите пазари.

0 / 6

🦴 Радиовъглеродно датиране

Въглерод-14 се разпада с период на полуразпад около 5730 години. В дървен предмет е останал 25% от въглерод-14 в сравнение с живо дърво. На колко години е приблизително предметът?

☕ Кафе на бюрото

Кафе с температура 90 °C е оставено в стая с 20 °C. След 5 минути то е 80 °C. След колко минути (от началото) ще стане 50 °C? Изстиването следва закона на Нютон.

🦠 Бактерии

Броят на бактериите в хранителна среда се удвоява на всеки 20 минути. Колко бактерии ще има след 3 часа, ако в началото са 1000?

💶 Непрекъсната лихва

Влог от 1000 € расте със скорост, пропорционална на сумата: y′=0,05yy' = 0{,}05y (5% годишно, олихвявани непрекъснато). Колко ще бъде влогът след 10 години?

🪂 Пределна скорост

При падане със съпротивление на въздуха скоростта удовлетворява v′=9,8−0,2vv' = 9{,}8 - 0{,}2v (в m/s). До каква скорост се доближава тялото?

💊 Лекарство в кръвта

Организмът изхвърля лекарство така, че количеството му намалява наполовина на всеки 4 часа. Колко mg остават 12 часа след доза от 200 mg?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

8. ⚠️ Чести грешки

Едно решение вместо семейство

✗ y′=2x⇒y=x2\displaystyle y' = 2x \Rightarrow y = x^2

✓ y=x2+C\displaystyle y = x^2 + C – константата се намира от началното условие

Константа на грешното място

✗ y′=ky⇒y=ekx+C\displaystyle y' = ky \Rightarrow y = e^{kx} + C

✓ y=Cekx\displaystyle y = Ce^{kx} – константата е множител

Две полуразпадания

✗ след два периода не остава нищо

✓ остава 14\displaystyle \frac{1}{4} – всеки период намалява наполовина

Период на трептене

✗ x′′=−ω2x⇒T=2πω\displaystyle x'' = -\omega^2 x \Rightarrow T = 2\pi\omega

✓ T=2πω\displaystyle T = \frac{2\pi}{\omega}

Изстиване до нула

✗ T(t)=T0e−kt\displaystyle T(t) = T_0 e^{-kt}

✓ T(t)=Ts+(T0−Ts)e−kt\displaystyle T(t) = T_s + (T_0 - T_s)e^{-kt} – клони към стайната температура

Ойлер е точен

✗ методът на Ойлер дава решението

✓ дава приближение; грешката намалява с по-малка стъпка

9. 🎯 Бърз тест

1 / 9
✓ 0

Коя функция е решение на y′=y\displaystyle y' = y?

10. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво В· Национален кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво С· Международна олимпиада

11. Обобщение

  • ✓ Диференциалното уравнение свързва неизвестна функция с нейните производни; решенията образуват семейство
  • ✓ Началното условие избира едно решение; полето от направления показва как текат решенията
  • ✓ Разделяне на променливите: ∫dyh(y)=∫g(x) dx\int \frac{dy}{h(y)} = \int g(x)\,dx
  • ✓ y′=ky⇒y=y0ekty' = ky \Rightarrow y = y_0 e^{kt}; или полуразпад ln⁡2∣k∣\frac{\ln 2}{|k|}
  • ✓ Изстиване: T=Ts+(T0−Ts)e−ktT = T_s + (T_0 - T_s)e^{-kt}; трептене: x′′=−ω2x⇒x=Acos⁡(ωt+φ)x'' = -\omega^2 x \Rightarrow x = A\cos(\omega t + \varphi)
  • ✓ Решенията се проверяват със заместване, а единствеността – с помощна функция с нулева производна (ye−ktye^{-kt}, „енергията“ при трептенето)
  • ✓ Метод на Ойлер: yn+1=yn+h⋅f(xn,yn)y_{n+1} = y_n + h \cdot f(x_n, y_n)

💡 Интересен факт

Прогнозата за времето е решение на огромна система диференциални уравнения за въздуха. Първият опит да се пресметне ръчно е на Луис Фрай Ричардсън по време на Първата световна война – той пресмята прогноза за 6 часа напред, а резултатът е силно грешен. Ричардсън мечтае за „фабрика за прогнози“ с 64 000 души, които смятат едновременно. Мечтата му се сбъдва с компютрите: през 1950 г. ENIAC пресмята първата успешна числена прогноза.