Ordinary Differential Equations

معادله‌ی دیفرانسیل معمولی

معادلاتی به شکل زیر:

$F(x, y, y^{\prime}, y^{\prime \prime}, ..., y^{(n)})$

یعنی معادلاتی که در آن‌ها تابع مجهول وای:

$y = f(x)$

به همراه یک یا چند مشتق مراتب مختلف آن و همچنین به احتمال متغیر مستقل ایکس وجود دارد، معادلات دیفرانسیل معمولی گفته می‌شود.

چند مثال:

  • $y^{\prime \prime} - 3 y^{\prime} + x y = y^2$

  • $y^{\prime} + y = 0$

  • $4y^{(5)} - y + x = 0$

اما مثال زیر یک معادله‌ی دیفرانسیل نیست:

$2y - y^2 = 0$

حل کردن یک معادله‌ی دیفرانسیل یعنی پیدا کردن تابع مجهول وای.

مرتبه‌ی معادله‌ی دیفرانسیل

بالاترین مرتبه‌ی مشتق ظاهر شده در معادله‌ی دیفرانسیل را مرتبه‌ی معادله‌ی دیفرانسیل می‌گویند.

حل چند مثال ساده

  • $y^{\prime} = 3$,

$y = 3x + c$.

  • $y^{\prime} - y = 0$,

$y^{\prime} = y$,

$y = ce^x$.

  • $y^{\prime} = e^x$,

$y = e^x + c$.

  • $y^{\prime} = 4e^x$,

$y = 4e^x$.

یادآوری ریاضی عمومی:

$(e^u)^{\prime} = u^{\prime} e^u$.

$(e^x)^{\prime} = 1 e^x = e^x$,

$(kf)^{\prime} = kf^{\prime}$.

Separable Equations

چون تنوع معادلات دیفرانسیل زیاد است، آن‌ها را در چند نوع طبقه‌بندی می‌کنند و برای هر کدام روش حل ارایه می‌شود. انواع معادلات دیفرانسیل معمولی مرتبه‌ی اول: جداشدنی، کامل، همگن، خطی با ضرایب ثابت، برنولی و ریکاتی. مجهول ما در معادله، وای برابر با تابعی از ایکس می‌باشد.

معادله‌ی دیفرانسیل جداشدنی (تفکیک پذیر)

اگر معادله‌ی دیفرانسیل را بتوان به شکل زیر نوشت:

$f(y) \ dy = f(x) \ dx$

اف ایکس تابعی به طور تمام بر حسب ایکس است و اف وای تابعی به طور تمام بر حسب وای است. می‌گوییم این معادله جدا شده است و برای حل کردن آن از دو طرف انتگرال می‌گیریم.

مثال

$y^{\prime} = \frac{2x}{3y^2} \longrightarrow \frac{dy}{dx} = \frac{2x}{3y^2} \longrightarrow 3y^2 \ dy = 2x \ dx$,

$\int 3y^2 \ dy = \int 2x \ dx \longrightarrow y^3 = x^2 + c \longrightarrow y = \sqrt[3]{x^2 + c}$.

مثال

$y^{\prime} = e^{x + y} \longrightarrow \frac{dy}{dx} = e^x \ e^y \longrightarrow \frac{dy}{e^y} = e^x \ dx$,

$e^{-y} \ dy = e^x \ dx \longrightarrow \int e^{-y} \ dy = \int e^x \ dx \longrightarrow -e^{-y} = e^x + c$,

$e^{-y} = c - e^x \longrightarrow ln(e^{-y}) = ln(c - e^x) \longrightarrow -y = ln(c - e^x)$,

$y = -ln(c - e^x)$.

یادآوری درباره‌ی لگاریتم طبیعی

$ln(x) = log_e^x$,

$ln(7) = log_e^7 = 1.94591014906 \longrightarrow e^{1.94591014906} = 7$,

$log_a^b = log_a^b$,

$a^{log_a^b} = b$,

$ln(e^{-y}) = log_e^{e^{-y}}$.

خاصیت لگاریتم طبیعی

$log_a^{b^n} = n \ log_a^b$,

$log_e^{e^{-y}} = -y \ log_e^e = -y$.

روش تغییر متغیر برای حل کردن انتگرال تابع نمایی

$\int e^{-y}$

$u = -y \longrightarrow du = -dy \longrightarrow -\int e^u \ du = -e^u = -e^{-y}$.

مثال

معادله‌ی دیفرانسیل جداشدنی زیر را حل کنید.

$sec^2(x) \ tan(y) \ dx + sec^2(y) \ tan(x) \ dy = 0$

$sec(x) = \frac{1}{cos(x)}$

$sec^2(x) \ tan(y) \ dx = -sec^2(y) \ tan(x) \ dy$

$\frac{sec^2(x) dx}{tan(x)} = \frac{-sec^2(y) dy}{tan(y)}$

$\int \frac{sec^2(x)}{tan(x)} dx = -\int \frac{sec^2(y)}{tan(y)} dy \longrightarrow ln|tan(x)| = -ln|tan(y)| + c$

$\int \frac{u^{\prime}}{u} du = ln|u| + c$

$(tan(x))^{\prime} = sec^2(x)$

$(tan(u))^{\prime} = u^{\prime} (1 + tan^2(u)) \longrightarrow (tan(x))^{\prime} = 1 + tan^2(x)$

$1 + tan^2(x) = 1 + \frac{sin^2(x)}{cos^2(x)} = \frac{cos^2(x) + sin^2(x)}{cos^2(x)} = \frac{1}{cos^2(x)} = sec^2(x)$

$ln|tan(x)| + ln|tan(y)| = c \longrightarrow ln|tan(y)| = c - ln|tan(x)|$

$ln|tan(x) \ tan(y)| = c \longrightarrow e^{ln|tan(x) \ tan(y)|} = e^c$

$tan(x) \ tan(y) = e^c \longrightarrow tan(y) = \frac{e^c}{tan(x)} \longrightarrow y = tan^{-1} (\frac{e^c}{tan(x)})$.

Exact Equations

معادلات دیفرانسیل کامل

معادلاتی هستند به شکل کلی زیر:

$M(x, y) \ dx + N(x, y) \ dy = 0$

به شرطی که:

$\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial N}{\partial x}$.

برای حل کردن این دسته از معادلات فرض می‌کنیم که اف ایکس و وای جواب معادله باشد و قرار می‌دهیم:

$f(x, y) = \int M(x, y) \ dx + h(y)$

که در اینجا ایچ وای تابعی به طور تمام بر حسب وای است. در ادامه، مقدار مشتق جزیی تابع اف نسبت به متغیر وای را به دست می‌آوریم و قرار می‌دهیم:

$N(x, y) = \frac{\partial f(x, y)}{\partial y}$

از این راه، تابع ایچ وای را به دست می‌آوریم و در آخر تابع اف ایکس و وای را به طور تمام به دست می‌آوریم.

مثال

معادله‌ی دیفرانسیل کامل زیر را حل کنید.

$(x + y + 1) dx + (x - y^2 + 3) dy = 0$

$\left\{ \begin{array}{l} M(x, y) = x + y + 1 &\\ N(x, y) = x - y^2 + 3 \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} \frac{\partial M(x, y)}{\partial y} = 1 &\\ \frac{\partial N(x, y)}{\partial x} = 1 \end{array} \right.$

$f(x, y) = \int (x + y + 1) dx + h(y) = \frac{x^2}{2} + y x + x + c + h(y)$

$\frac{\partial f(x, y)}{\partial y} = x + h^{\prime}(y)$

$x + h^{\prime}(y) = x - y^2 + 3 \longrightarrow h^{\prime}(y) = x - y^2 + 3 - x$

$h(y) = \int (-y^2 + 3) dy = \frac{-y^3}{3} + 3y$

$f(x, y) = \frac{x^2}{2} + yx + x - \frac{y^3}{3} + 3y + c$.

مثال

معادله‌ی دیفرانسیل کامل زیر را حل کنید.

$(2x^2 + 2xy^2 + 4y) dx + (2x^2y + 4x + 5y^4) dy = 0$

$\left\{ \begin{array}{l} M(x, y) = 2x^2 + 2xy^2 + 4y &\\ N(x, y) = 2x^2y + 4x + 5y^4 \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} \frac{\partial M(x, y)}{\partial y} = 4xy + 4 &\\ \frac{\partial N(x, y)}{\partial x} = 4xy + 4 \end{array} \right.$

$f(x, y) = \int (2x^2 + 2xy^2 + 4y) dx + h(y)$

$f(x, y) = \frac{2}{3} x^3 + x^2y^2 + 4yx + c + h(y)$

$N(x, y) = \frac{\partial f}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} (\frac{2}{3} x^3 + x^2y^2 + 4yx + c + h(y))$

$N(x, y) = 2x^2y + 4x + h^{\prime}(y) = 2x^2 y + 4x + 5y^4$

$h^{\prime}(y) = 2x^2 y + 4x + 5y^4 - 4x - 2x^2y = 5y^4$

$h(y) = \int h^{\prime}(y) dy = \int 5y^4 dy = y^5 + c$

$f(x, y) = \frac{2}{3} x^3 + x^2y^2 + 4yx + y^5 + c$.

تعریف تابع همگن

تابع اف ایکس و وای را همگن از درجه‌ی ان (ان عضوی از اعداد صحیح) می‌گویند، هرگاه عدد غیر صفری مانند تی وجود داشته باشد، به طوری که:

$f(tx, ty) = t^n f(x, y)$,

$n \in \mathbb{Z}$,

$t \neq 0$.

مثال

تابع اف ایکس و وای که با ضابطه‌ی زیر تعریف شده است یک تابع همگن از درجه‌ی چند است؟

$f(x, y) = x^4 - x^3 y$

$f(tx, ty) = (tx)^4 - (tx)^3 (ty) = t^4 x^4 - t^3 x^3 t y = t^4 x^4 - t^4 x^3 y = t^4 (x^4 - x^3 y) = t^4 f(x, y)$

$n = 4$

پس تابع اف ایکس و وای یک تابع همگن از درجه‌ی چهار است.

First-Order Homogeneous Equations

معادلات دیفرانسیل مرتبه‌ی اول همگن

معادلاتی به فرم زیر هستند:

$M(x, y) dx + N(x, y) dy = 0$

به طوری که تابع‌های ام و ان همگن هستند.

روش حل: با تغییر متغیر زیر، معادله را به یک معادله‌ی جداشدنی تبدیل می‌کنیم و سپس آن را حل می‌کنیم.

$u = \frac{y}{x}$

مثال

معادله‌ی دیفرانسیل همگن زیر را حل کنید.

$y^{\prime} = 1 + \frac{y}{x}$

$y^{\prime} = \frac{x + y}{x}$

واضح است که ام و ان تابع‌هایی همگن از درجه‌ی یک هستند. پس از روش تغییر متغیر استفاده می‌کنیم.

$M(tx, ty) = tx + ty = t(x + y) = t^1 M(x, y)$

$\left\{ \begin{array}{l} M(x, y) dx = N(x, y) dy &\\ (x + y) dx = (x) dy \end{array} \right.$

$y = ux \longrightarrow dy = x \ du + u \ dx$

$(x + ux) dx - x(x \ du + u \ dx) = 0$

$x \ dx + u x \ dx - x^2 \ du - x u \ dx = 0$

$x \ dx = x^2 \ du \longrightarrow \frac{1}{x} dx = du$

معادله بر حسب متغیرهای ایکس و وای تفکیک شد. حالا از دو طرف معادله انتگرال می‌گیریم تا به تابع مجهول وای بر حسب متغیر ایکس برسیم.

$\int \frac{1}{x} dx = \int du$,

$ln(x) = u + c \longrightarrow ln(x) = \frac{y}{x} + c \longrightarrow ln(x) = \frac{y + cx}{x}$,

$y = x \ ln(x) - cx$.

مثال

معادله‌ی دیفرانسیل همگن زیر را حل کنید.

$(x e^{\frac{y}{x}} + y) dx - x \ dy = 0$.

$y = ux \longrightarrow dy = x \ du + u \ dx \longrightarrow (x e^u + ux) dx - x (x \ du + u \ dx) = 0$

$x e^u \ dx + ux \ dx - x^2 \ du - xu \ dx = 0$

$x e^u \ dx = x^2 \ du \longrightarrow \frac{1}{x} dx = e^{-u} du$

$\int \frac{1}{x} dx = \int e^{-u} du \longrightarrow ln(x) = -e^{-u} + c$

$ln(x) = -e^{-\frac{y}{x}} + c$

$ln(c - ln(x)) = ln(e^{-\frac{y}{x}}) \longrightarrow ln(c - ln(x)) = -ln(e^{\frac{y}{x}}) \longrightarrow -ln(c - ln(x)) = \frac{y}{x}$

$y = -x \ ln(c - ln(x))$.

یادآوری

$log_b^a = log_b^a$,

$b^{log_b^a} = a$,

$log_e^{e^y} = y \ log_e^e = y$.

First-Order Linear Equations

معادله‌ی دیفرانسیل خطی مرتبه‌ی اول

حل کردن معادله‌ی دیفرانسیل خطی مرتبه‌ی اول به فرم زیر

$y^{\prime} + p(x) y = q(x)$

که تابع پی و تابع کیو، تابع‌هایی پیوسته و بر حسب ایکس هستند. جواب این معادله به صورت زیر است:

$y = \frac{1}{e^{\int p(x)dx}}(\int e^{\int p(x)dx} q(x)dx + c)$

مثال

معادله‌ی خطی مرتبه‌ی اول زیر را حل کنید.

$y^{\prime} + y = e^x$

$\left\{ \begin{array}{l} p(x) = 1 &\\ q(x) = e^x \end{array} \right.$

$\int p(x) dx = \int dx = x + c$

$y = \frac{1}{e^{x + c}} (\int e^{x + c} e^x dx + c)$

$y = \frac{1}{e^{x + c}} (\int e^{2x + c} dx + c) = \frac{1}{e^{x + c}} (\frac{e^{2x + c}}{2} + c)$

$y = \frac{e^x}{2} + ce^{-x - c}$

$y = \frac{1}{e^x} (\frac{1}{2} e^{2x} + c)$.

مثال

$y^{\prime} + \frac{2x}{1 + x^2} y = \frac{cot(x)}{1 + x^2}$

$\left\{ \begin{array}{l} p(x) = \frac{2x}{1 + x^2} &\\ q(x) = \frac{cot(x)}{1 + x^2} \end{array} \right.$

فرم کلی معادلات خطی:

$y^{\prime} + p(x) y = q(x)$

$e^{\int p(x) dx} = e^{\int \frac{2x}{1 + x^2} dx} = e^{\int \frac{du}{u}} = e^{ln|u|} = u$.

$e^{\int p(x) dx} = u = 1 + x^2$

$y = \frac{1}{1 + x^2} (\int q(x) e^{\int p(x) dx} dx + c)$

$y = \frac{1}{1 + x^2} (\int \frac{cot(x)}{1 + x^2} (1 + x^2) dx + c)$

$y = \frac{1}{1 + x^2} (\int cot(x) dx + c) = \frac{1}{1 + x^2} (ln(|sin(x)|) + c)$

یادآوری

$\int cot(x) dx = \int \frac{cos(x)}{sin(x)} dx = ln|sin(x)| + c$.

Bernoulli Equations

معادلات برنولی

معادلاتی هستند به فرم

$y^{\prime} + p(x) y = q(x) y^n$.

در حالتی که ان برابر با صفر باشد و در حالتی که ان برابر با یک باشد، معادلات برنولی همان معادلات خطی مرتبه‌ی اول هستند.

$n = 0, n = 1$

بنابراین، این معادلات را در حالتی که ان نابرابر با صفر ونابرابر با یک است، حل می‌کنیم.

$n \neq 0, n \neq 1$

روش حل: برای حل معادلات برنولی، ابتدا طرفین معادله را بر وای به توان ان تقسیم می‌کنیم.

$/ y^n$

و سپس با تغییر متغیر زیر، معادله را به یک معادله‌ی خطی مرتبه‌ی اول بر حسب ایکس و یو تبدیل می‌کنیم و بعد آن راحل می‌کنیم.

$u = \frac{1}{y^{n - 1}}$

مثال

معادله‌ی برنولی زیر را حل کنید.

$y^{\prime} + \frac{1}{x} y = y^2$

حل: تقسیم دو طرف معادله بر وای به توان ان:

$n = 2 \longrightarrow y^n = y^2$

$\frac{y^{\prime}}{y^2} + \frac{1}{xy} = 1$

تغییر متغیر

$\left\{ \begin{array}{l} u = \frac{1}{y} = y^{-1} &\\ du = d(y^{-1}) = -y^{-2} dy \end{array} \right.$

معادله را بر حسب متغیر یو بازنویسی می‌کنیم.

$\frac{y^{\prime}}{y^2} + \frac{1}{x} \frac{1}{y} = 1$

$y^{\prime} u^2 + \frac{u}{x} = 1$

$\left\{ \begin{array}{l} -du = dy \ y^{-2} &\\ u^{\prime} = - y^{\prime} y^{-2} \end{array} \right.$

$-u^{\prime} + \frac{u}{x} = 1$

$u^{\prime} - \frac{u}{x} = -1 \longrightarrow u^{\prime} - \frac{u}{x} + 1 = 0$

معادله خطی مرتبه‌ی اول بر حسب متغیرهای یو و ایکس است.

$\left\{ \begin{array}{l} p(x) = \frac{-1}{x} &\\ q(x) = -1 \end{array} \right.$

$e^{\int p(x) dx} = e^{\int -\frac{1}{x} dx} = e^{-ln|x|} = \frac{1}{x}$

$u = \frac{1}{e^{\int p(x) dx}} (\int q(x) e^{\int p(x) dx} dx + c)$

$u = x (\int (-1) \frac{1}{x} dx + c) = x(\int -\frac{1}{x} dx + c)$

$u = x (-ln|x| + c)$

$u = \frac{1}{y}$

$y^{-1} = u = x(-ln|x| + c) \longrightarrow y = \frac{1}{x(-ln|x| + c)}$.

یادآوری

به طور کلی متغیر وای عبارتیست بر حسب متغیر ایکس.

$(y^n)^{\prime} = n y^{\prime} y^{n - 1}$

در حالت خاص

$y = x \longrightarrow (x^n)^{\prime} = n x^{\prime} x^{n - 1}$.

Review Exercises

تمرین‌های دوره‌ای

تمرین معادله‌ی جداشدنی

  • $y^\prime = \frac{5x}{2y^2}$

$\frac{dy}{dx} = \frac{5x}{2y^2} \longrightarrow 5x \ dx = 2y^2 \ dy$

$\int 5x \ dx = \int 2y^2 \ dy \longrightarrow \frac{5x^2}{2} = \frac{2y^3}{3} + c$

$\frac{2y^3}{3} = \frac{5x^2}{2} + c \longrightarrow y^3 = \frac{3}{2} (\frac{5x^2}{2} - c)$

$y = \sqrt[3]{\frac{3}{2} (\frac{5x^2}{2} - c)}$.

  • $xy^\prime + y = y^2$

$x \frac{dy}{dx} + y = y^2 \longrightarrow \frac{x}{dx} + \frac{y}{dy} = \frac{y^2}{dy}$

$\frac{x}{dx} = \frac{y^2}{dy} - \frac{y}{dy} \longrightarrow \frac{x}{dx} = \frac{y^2 - y}{dy}$

$\frac{dx}{x} = \frac{dy}{y^2 - y} \longrightarrow \frac{dx}{x} = \frac{dy}{y (y - 1)}$

$\frac{dx}{x} = dy (\frac{A}{y} + \frac{B}{y - 1}) \longrightarrow \frac{dx}{x} = \frac{-dy}{y} + \frac{dy}{y - 1}$

$\frac{A (y - 1) + B y}{y (y - 1)} = \frac{1}{y (y - 1)}$

$Ay - A + By = 1$

$\left\{ \begin{array}{l} A + B = 0 &\\ -A = 1 \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} A = -1 &\\ B = 1 \end{array} \right.$

$\int \frac{dx}{x} = - \int \frac{dy}{y} + \int \frac{dy}{y - 1} \longrightarrow ln|x| = -ln|y| + ln|y - 1| + c$

$ln|x| = ln|\frac{y - 1}{y}| + c \longrightarrow e^{ln|x|} = e^{ln|\frac{y - 1}{y}| + c} \longrightarrow x = \frac{y - 1}{y} + c_1$

$x = 1 - \frac{1}{y} + c_1 \longrightarrow \frac{1}{y} = 1 - x + c_1$

$y = \frac{1}{1 - x + c_1}$.

تمرین معادله‌ی همگن

  • $(x^2 + y^2) dx + 2xy \ dy = 0$

$u = \frac{y}{x} \longrightarrow y = ux \longrightarrow dy = u \ dx + x \ du$

$(x^2 + u^2 x^2) dx + 2x ux \ dy = 0$

$x^2 (u^2 + 1) dx + 2x^2 u \ dy = 0 \longrightarrow x^2 (u^2 + 1) dx + 2x^2 u (u \ dx + x \ du) = 0$

$(u^2 + 1) dx + 2u^2 \ dx + 2ux \ du = 0$

$dx(u^2 + 1 + 2u^2) + 2ux \ du = 0 \longrightarrow (3u^2 + 1) dx + 2ux \ du = 0$

$\frac{3u^2 + 1}{x} dx + 2u \ du = 0 \longrightarrow \frac{dx}{x} + \frac{2u}{3u^2 + 1} du = 0$

$\frac{dx}{x} = \frac{-2u}{3u^2 + 1} du \longrightarrow \int \frac{dx}{x} = \int \frac{-2u}{3u^2 + 1} du$

$ln|x| = \frac{-1}{3} \int \frac{2u}{u^2 + 1} du \longrightarrow ln|x| = \frac{-1}{3} ln|u^2 +1| + c$

$e^{ln|x|} = e^{\frac{-1}{3} ln|u^2 + 1| + c}$

$x = e^{ln|(u^2 + 1)^{\frac{-1}{3}}| + c} \longrightarrow x = \frac{1}{\sqrt[3]{u^2 + 1}} + c_1$

$\frac{1}{x} = \sqrt[3]{u^2 + 1} + c_1 \longrightarrow \frac{1}{x^3} = u^2 + 1 + c_1$

$u^2 = \frac{1}{x^3} - 1 - c_1 \longrightarrow u = \sqrt{\frac{1}{x^3} - 1 - c_1}$

$\frac{y}{x} = \sqrt{\frac{1}{x^3} - 1 - c_1}$

$y = x \sqrt{\frac{1}{x^3} - 1 - c_1}$.

  • $y^\prime = 2 + \frac{y}{x}$

$u = \frac{y}{x} \longrightarrow y = ux \longrightarrow dy = u \ dx + x \ du$

$\frac{dy}{dx} = u + x \frac{du}{dx} \longrightarrow y^\prime = u + x u^\prime$

$u + xu^\prime = 2 + u \longrightarrow x u^\prime = 2 \longrightarrow u^\prime = \frac{2}{x}$

$\frac{du}{dx} = \frac{2}{x} \longrightarrow du = \frac{2 dx}{x}$

$\int du = \int 2 \frac{dx}{x} \longrightarrow u = 2 ln|x| + c$

$\frac{y}{x} = ln(x^2) + c \longrightarrow y = x \ ln(x^2) + cx$.

تمرین معادله‌ی کامل

  • $(x + y + 2) dx + (x - y^2 + 1) dy = 0$

$f(x, y) = \int (x + y + 2) dx + h(y) = \frac{x^2}{2} + xy + 2x + c + h(y)$

$\frac{\partial f}{\partial y} = N(x, y)$

$x + h^\prime (y) = x - y^2 + 1 \longrightarrow h^\prime (y) = \int h(y) dy = \int (1 - y^2) dy = y - \frac{y^3}{3} + c_1$

$f(x, y) = \frac{x^2}{2} + xy + 2x + y - \frac{y^3}{3} + c_2$.

  • $(2x^2 + 4y) dx + (4x - 3y^2) dy = 0$

$f(x, y) = \int M(x, y) dx + h(y) \longrightarrow f(x, y) = \int (2x^2 + 4y) dx + h(y) = \frac{2x^3}{3} + 4xy + h(y)$

$\frac{\partial f(x, y)}{\partial y} = N(x, y) \longrightarrow 4x + h^\prime (y) = 4x - 3y^2 \longrightarrow h^\prime (y) = -3y^2$

$h(y) = \int h^\prime (y) dy \longrightarrow h(y) = \int -3y^2 \ dy \longrightarrow h(y) = -3 \frac{y^3}{3} + c \longrightarrow h(y) = -y^3 + c$

$f(x, y) = \frac{2}{3} x^3 + 4xy - y^3 + c$.

  • $(2xe^y + e^x) dx + (x^2 + 1) e^y dy = 0$

$f(x, y) = \int M(x, y) dx + h(y) = \int (2xe^y + e^x) dx + h(y) = \frac{2x^2}{2} e^y + e^x + c + h(y)$

$\frac{\partial f(x, y)}{\partial y} = N(x, y) \longrightarrow x^2 e^y + h^\prime (y) = e^y (x^2 + 1)$

$h^\prime (y) = e^y (x^2 + 1) - x^2 e^y = e^y x^2 + e^y - e^y x^2 = e^y$

$h(y) = \int h^\prime (y) dy = \int e^y dy = e^y + c_1$

$f(x, y) = x^2 e^y + e^x + e^y + c_2$

تمرین معادله‌ی خطی مرتبه اول

  • $\frac{dy}{dx} + y = e^x$

$\left\{ \begin{array}{l} p(x) = 1 &\\ q(x) = e^x \end{array} \right.$

$\int p(x) dx = \int dx = x$

$y = \frac{1}{e^{\int p(x) dx}} (\int e^{\int p(x) dx} q(x) dx + c)$

$y = \frac{1}{e^x} (\int e^x e^x dx + c) \longrightarrow y = e^{-x} (\int e^{2x} dx + c)$

$y = e^{-x} (\frac{e^{2x}}{2} + c) \longrightarrow y = \frac{e^x}{2} + c e^{-x}$.

  • $\frac{dy}{dx} = \frac{e^{2y}}{xe^{2y} - y}$

$\frac{dx}{dy} = \frac{x e^{2y} - y}{e^{2y}} = \frac{x e^{2y}}{e^{2y}} - \frac{y}{e^{2y}}$

$\frac{dx}{dy} = x - \frac{y}{e^{2y}} \longrightarrow x^\prime - x = -\frac{y}{e^{2y}}$

$\left\{ \begin{array}{l} p(y) = -1 &\\ q(y) = \frac{-y}{e^{2y}} \end{array} \right.$

$\int p(y) dy = \int -dy = -y$

$x = \frac{1}{e^{\int p(y) dy}} (\int e^{\int p(y) dy} q(y) dy + c)$

$x = \frac{1}{e^{-y}} (\int e^{-y} \frac{-y}{e^{2y}} dy + c) \longrightarrow x = e^y (\int -e^{-3y} y \ dy + c)$

$\left\{ \begin{array}{l} u = y \longrightarrow du = dy &\\ dv = -e^{-3y} dy \longrightarrow v = \frac{e^{-3y}}{3} \end{array} \right.$

$\int -e^{-3y} y \ dy = \int u \ dv = uv - \int v \ du = y \frac{e^{-3y}}{3} - \int \frac{e^{-3y}}{3} dy$

$\int -e^{-3y} y \ dy = \frac{y}{3e^{3y}} - (\frac{-1}{3})) \frac{e^{-3y}}{3} = \frac{y}{3e^{3y}} + \frac{1}{9} e^{-3y}$

$x = e^y (\frac{y}{3} e^{-3y} + \frac{1}{9} e^{-3y} + c) \longrightarrow x = e^{-2y} (\frac{y}{3} + \frac{1}{9}) + c e^y$.

تمرین معادله‌ی برنولی

  • $y^\prime - \frac{y}{x} = y^2$

$n = 2$

$y^\prime y^{-2} - \frac{1}{xy} = 1$

$u = \frac{1}{y^{2 - 1}} = \frac{1}{y} \longrightarrow y = \frac{1}{u} \longrightarrow y^\prime = (u^{-1})^\prime = -u^{-2} u^\prime$

$u^\prime (-u^{-2}) (u^2) - \frac{u}{x} = 1$

$-u^\prime - \frac{u}{x} = 1 \longrightarrow u^\prime + \frac{u}{x} = -1$

$\left\{ \begin{array}{l} p(x) = \frac{1}{x} &\\ q(x) = -1 \end{array} \right.$

$\int p(x) dx = \int \frac{dx}{x} = ln|x|$

$u = \frac{1}{e^{\int p(x) dx}} (\int e^{\int p(x) dx} q(x) dx + c)$

$u = \frac{1}{e^{ln|x|}} (\int e^{ln|x|} (-1) dx + c)$

$u = \frac{1}{x} (\int -\frac{dx}{x} + c) = \frac{1}{x} (-ln|x| + c)$

$\frac{1}{y} = \frac{-ln|x| + c}{x}$

$y = \frac{x}{-ln|x| + c}$.

  • $y^\prime + xy = \frac{x}{y^3}$

$n = 3$

$u = \frac{1}{y^{3 - 1}} = \frac{1}{y^2} \longrightarrow y^{-2} = u \longrightarrow -2y^{-3}dy = du \longrightarrow dy = \frac{du}{-2}y^3$

$y^\prime y^{-3} + xy^{-2} = x$

$\frac{-u^\prime}{2} + xu = x \longrightarrow u^\prime - 2xu = -2x$

$\left\{ \begin{array}{l} p(x) = -2x &\\ q(x) = -2x \end{array} \right.$

$\int p(x) dx = \int -2x \ dx = -x^2$

$u = \frac{1}{e^{\int p(x) dx}} (\int e^{\int p(x) dx} q(x) dx + c)$

$u = \frac{1}{e^{-x^2}} (\int e^{-x^2} (-2x) dx + c)$

$\left\{ \begin{array}{l} v = -x^2 &\\ dv = -2x \ dx \end{array} \right.$

$\int -e^{-x^2} 2x \ dx = \int e^v dv = e^v = e^{-x^2}$

$u = \frac{1}{e^{-x^2}} (e^{-x^2} + c) = 1 + c e^{x^2}$

$\frac{1}{y^2} = 1 + c e^{x^2} \longrightarrow y^2 = \frac{1}{1 + c e^{x^2}}$

$y = \sqrt{\frac{1}{1 + c e^{x^2}}}$.

Second-Order Linear Homogeneous Equations (with Constant Coefficients)

معادلات خطی مرتبه‌ی دوم همگن (با ضرایب ثابت)

معادلاتی هستند به فرم زیر

$y^{\prime \prime} + a y^{\prime} + by = 0$

که در اینجا آ و ب عددهای ثابتی هستند. به این دسته از معادلات همگن نیز گفته می‌شود زیرا در سمت راست معادله صفر وجود دارد. برای حل کردن این نوع معادلات، ابتدا باید معادله‌ی مفسر (مشخصه) را به دست آوریم و حل کنیم. معادله‌ی مفسر، معادله‌ای درجه دوم است که به صورت زیر به دست می‌آید:

$r^2 + ar + b = 0$

این معادله را با روش دلتا حل می‌کنیم.

حالت اول

اگر دلتا بزرگتر از صفر باشد، معادله‌ی مفسر دو ریشه‌ی مجزا آر پایین‌نویس ۱ و آر پایین‌نویس ۲ خواهد داشت. در این صورت جواب معادله‌ی دیفرانسیل به شکل زیر است:

$\Delta > 0 \longrightarrow y = c_1 e^{r_1 x} + c_2 e^{r_2 x}$.

مثال

معادله‌ی دیفرانسیل زیر را حل کنید.

$y^{\prime \prime} + y^{\prime} - 2y = 0$

$\left\{ \begin{array}{l} a = 1 &\\ b = -2 \end{array} \right.$

معادله‌ی مفسر را تشکیل می‌دهیم.

$r^2 + r - 2 = 0$,

$\Delta = 1^2 - 4 (1) (-2) = 9 > 0$,

$r_1 = \frac{-1 + \sqrt{9}}{2 (1)} = 1$,

$r_2 = \frac{-1 - \sqrt{9}}{2 (1)} = -2$,

$y = c_1 e^{x} + c_2 e^{-2x}$.

حالت دوم

اگر دلتا برابر با صفر باشد، در این حالت معادله‌ی مفسر یک ریشه‌ی مضاعف دارد. فرض کنید که آر ریشه‌ی آن باشد. جواب معادله‌ی دیفرانسیل به صورت زیر است:

$\Delta = 0 \longrightarrow y = (c_1 + c_2 x) e^{r x}$.

مثال

معادله‌ی دیفرانسیل زیر را حل کنید.

$y^{\prime \prime} + 4 y^{\prime} + 4y = 0$.

معادله‌ی مفسر را تشکیل می‌دهیم:

$r^2 + 4r + 4 = 0$

$\Delta = 4^2 - 4 (1) (4) = 0 \longrightarrow r = \frac{-4}{2 (1)} = -2$

$y = (c_1 + c_2 x) e^{-2x}$.

حالت سوم

$\Delta < 0$

اگر دلتا کوچکتر از صفر باشد، معادله‌ی مفسر ریشه‌ی حقیقی ندارد. عدد آی عددی موهومی است.

$i^2 = -1 \longrightarrow i = \sqrt{-1}$

$z^2 = -1 \longrightarrow z^2 + 1 = 0$

$i \in \mathbb{C}$

1

در این حالت، معادله‌ی مفسر دو ریشه‌ی مختلط به شکل زیر دارد.

$\left\{ \begin{array}{l} r_1 = \alpha + \beta i &\\ r_2 = \alpha - \beta i \end{array} \right.$

$r_1, r_2 \in \mathbb{C} = \{ x + y i | x \in \mathbb{R}, y \in \mathbb{R} \}$

در این صورت، جواب معادله‌ی دیفرانسیل به شکل زیر خواهد بود:

$y = e^{\alpha x} (c_1 cos(\beta x) + c_2 sin(\beta x))$

مثال

معادله‌ی مرتبه دوم با ضرایب ثابت (همگن) را حل کنید.

$y^{\prime \prime} + 4 y^{\prime} + 5y = 0$

معادله‌ی مشخصه را تشکیل می‌دهیم.

$r^2 + 4r + 5 = 0$,

$\Delta = 16 - 20 = -4$,

$r_1 = \frac{-4 + \sqrt{-4}}{2} = -2 + i$,

$r_2 = \frac{-4 - \sqrt{-4}}{2} = -2 - i$,

$\left\{ \begin{array}{l} \alpha = -2 &\\ \beta = 1 \end{array} \right.$,

$y = e^{-2x} (c_1 cos(x) + c_2 sin(x))$.

Inexact Equations

معادلات غیرکامل

پیش‌تر گفتیم که معادلاتی به شکل زیر به شرطی که مشتق جزیی تابع ام نسبت به متغیر وای برابر با مشتق جزیی تابع ان نسبت به متغیر ایکس باشد کامل هستند.

$\left\{ \begin{array}{l} M(x, y) dx + N(x, y) dy = 0 &\\ \frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial N}{\partial x} \end{array} \right.$

اگر شرط بالا برقرار نباشد، معادله غیر کامل است.

$\frac{\partial M}{\partial y} \neq \frac{\partial N}{\partial x}$

برای حل کردن معادلات غیر کامل، باید عبارتی مانند تابع ایچ بر حسب متغیرهای ایکس و وای را پیدا کنیم، به طوری که با ضرب کردن دو طرف معادله در تابع ایچ معادله کامل شود.

$h(x, y)$

یعنی معادله‌ی زیر کامل باشد.

$h(x, y) M(x, y) dx + h(x, y) N(x, y) dy = 0$

به تابع ایچ که بر حسب متغیرهای ایکس و وای است عامل انتگرال‌ساز گفته می‌شود. عامل انتگرال‌ساز منحصر به فرد نمی‌باشد. و در حالت کلی پیدا کردن عامل انتگرال‌ساز کار بسیار سختی است. اما در اینجا در دو حالت خیلی خاص عامل انتگرال‌ساز را معرفی می‌کنیم.

حالت اول

اگر معادله‌ی زیر غیر کامل باشد، یعنی مشتق جزیی تابع ام نسبت به متغیر وای نابرابر با مشتق جزیی تابع ان نسبت به متغیر ایکس باشد،

$\left\{ \begin{array}{l} M(x, y) dx + N(x, y) dy = 0 &\\ \frac{\partial M}{\partial y} \neq \frac{\partial N}{\partial x} \end{array} \right.$

و همچنین عبارت پی عبارتی فقط بر حسب متغیر ایکس باشد،

$p(x) = \frac{1}{N} (\frac{\partial M}{\partial y} - \frac{\partial N}{\partial x})$

آن‌گاه عامل انتگرال‌ساز برابر است با:

$e^{\int p(x) dx}$.

حالت دوم

اگر عبارت پی عبارتی فقط بر حسب متغیر وای باشد،

$p(y) = \frac{-1}{M} (\frac{\partial M}{\partial y} - \frac{\partial N}{\partial x})$

آن‌گاه عامل انتگرال‌ساز برابر است با:

$e^{\int p(y) dy}$.

مثال

معادله‌ی غیرکامل زیر را حل کنید.

$dx + \frac{x - sin(y)}{y} dy = 0$.

$\left\{ \begin{array}{l} M(x, y) = 1 &\\ N(x, y) = \frac{x - sin(y)}{y} \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} \frac{\partial M}{\partial y} = 0 &\\ \frac{\partial N}{\partial x} = \frac{1}{y} \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} 0 \neq \frac{1}{y} &\\ \frac{\partial M}{\partial y} \neq \frac{\partial N}{\partial x} \end{array} \right.$

پس معادله غیرکامل است. حالا مقدار عبارت پی را محاسبه می‌کنیم تا عامل انتگرال‌ساز را پیدا کنیم.

$p(y) = \frac{-1}{1} (0 - \frac{1}{y}) = \frac{1}{y}$

عبارت پی به طور تمام بر حسب متغیر وای به دست آمد. سپس عامل انتگرال‌ساز را به شکل زیر به دست می‌آوریم:

$e^{\int p(y) dy} = e^{\int \frac{1}{y} dy} = e^{ln|y|} = y$

دو طرف معادله را در عامل انتگرال‌ساز ضرب می‌کنیم تا معادله کامل شود.

$y \ dx + (x - sin(y)) dy = 0$

$\left\{ \begin{array}{l} M_1(x, y) = y &\\ N_1(x, y) = x - sin(y) \end{array} \right.$

دوباره شرط کامل بودن معادله را بررسی می‌کنیم.

$\left\{ \begin{array}{l} \frac{\partial M_1}{\partial y} = 1 &\\ \frac{\partial N_1}{\partial x} = 1 \end{array} \right.$

$\frac{\partial M_1}{\partial y} = \frac{\partial N_1}{\partial x}$

پس معادله کامل شد. در ادامه، معادله‌ی کامل را حل می‌کنیم تا به تابع مجهول اف برسیم.

$f(x, y) = \int M_1(x, y) dx + h(y) = \int y \ dx + h(y)$

$f(x, y) = xy + c + h(y)$

$\frac{\partial f(x, y)}{\partial y} = N_1(x, y) = \frac{\partial}{\partial y} (xy + c + h(y))$

مقدار مشتق جزیی تابع اف نسبت به متغیر ایگرگ را با مقدار عبارت تابع ان پایین‌نویس ۱ مقایسه می‌کنیم تا مقدار مشتق تابع ایچ بر حسب متغیر ایگرگ را بیابیم.

$N_1(x, y) = x + h^{\prime}(y)$,

$x + h^{\prime}(y) = x - sin(y) \longrightarrow h^{\prime}(y) = -sin(y)$,

$f(x, y) = xy + c + \int h^{\prime}(y) dy = xy + c + \int -sin(y) dy$,

$f(x, y) = xy + c + cos(y) + c_1$,

$f(x, y) = xy + cos(y) + c_2$.

تمرین

معادله‌ی غیرکامل را حل کنید.

$(x^2 + x - y^2) dx + x y \ dy = 0$.

$\left\{ \begin{array}{l} M(x, y) = x^2 + x - y^2 &\\ N(x, y) = xy \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} \frac{\partial M(x, y)}{\partial y} = -2y &\\ \frac{\partial N(x, y)}{\partial x} = y \end{array} \right.$

$\frac{\partial M}{\partial y} \neq \frac{\partial N}{\partial x}$

معادله غیرکامل است. برای پیدا کردن عامل انتگرال‌ساز به شکل زیر عمل می‌کنیم.

$\frac{\partial M}{\partial y} - \frac{\partial N}{\partial x} = -2y - y = -3y$

$p(x) = \frac{1}{N} (\frac{\partial M}{\partial y} - \frac{\partial N}{\partial x}) = \frac{1}{xy} (-3y) = \frac{-3}{x}$

به دلیل اینکه پی عبارتی فقط بر حسب متغیر ایکس است، عامل انتگرال‌ساز برابر است با:

$e^{\int p(x) dx} = e^{-3 \int \frac{dx}{x}} = e^{-3 ln|x|} = e^{ln|x^{-3}|} = x^{-3}$

با ضرب کردن عامل انتگرال‌ساز در دو طرف معادله، آن را کامل می‌کنیم.

$x^{-3} (x^2 + x - y^2) dx + x^{-3} (xy) dy = 0$

$(x^{-1} + x^{-2} - y^2 x^{-3}) dx + (x^{-2} y) dy = 0$

$\left\{ \begin{array}{l} M_1(x, y) = x^{-1} + x^{-2} - y^2 x^{-3} &\\ N_1(x, y) = x^{-2} y \end{array} \right.$

$\frac{\partial M_1}{\partial y} = -2y x^{-3}$

$\frac{\partial N_1}{\partial x} = -2x^{-3} y$

معادله‌ی دیفرانسیل پس از ضرب کردن عامل انتگرال‌ساز کامل شد.

$\frac{\partial M_1}{\partial y} = \frac{\partial N_1}{\partial x}$

$f(x, y) = \int M_1(x, y) dx + h(y) = \int x^{-1} + x^{-2} - y^2 x^{-3} \ dx + h(y)$

$f(x, y) = ln|x| - \frac{1}{x} + y^2 \frac{x^{-2}}{2} + c + h(y)$

$N_1(x, y) = \frac{\partial f(x, y)}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} (ln|x| - \frac{1}{x} + y^2 \frac{x^{-2}}{2} + c + h(y))$

مشتق جزیی تابع اف نسبت به متغیر ایگرگ را با تابع ان پایین‌نویس ۱ مقایسه می‌کنیم تا مقدار مشتق تابع ایچ را پیدا کنیم.

$N_1(x, y) = yx^{-2} + h^{\prime}(y)$,

$h^{\prime}(y) = 0 \longrightarrow h(y) = \int h^{\prime}(y) dy = \int 0 dy = c_1$,

$f(x, y) = ln|x| - \frac{1}{x} + y^2 \frac{x^{-2}}{2} + c + c_1$,

$f(x, y) = ln|x| - \frac{1}{x} + y^2 \frac{x^{-2}}{2} + c_2$.

Laplace Transform

تبدیل لاپلاس

در ریاضیات تبدیل‌هایی داریم که یک تابع را به تابع دیگری تبدیل می‌کند. برای مثال، مشتق‌گیری یک تبدیل است که تابع اف بر حسب متغیر ایکس را به تابع اف پریم بر حسب متغیر ایکس تبدیل می‌کند.

$D: f(x) \to f^{\prime}(x)$,

$D f(x) = f^{\prime}(x)$.

تبدیل لاپلاس یک تبدیل انتگرالی است که تابع اف بر حسب متغیر تی (که به طور معمول زمان فرض می‌شود) را به تابع اف بر حسب متغیر اس (که به طور معمول فرکانس فرض می‌شود) تبدیل می‌کند. تبدیل لاپلاس کاربردهایی در فیزیک دارد، اما در اینجا (درس معادلات دیفرانسیل) ما فقط به این نکته توجه می‌کنیم که تبدیل لاپلاس می‌تواند ابزاری برای حل بعضی از معادلات دیفرانسیل باشد. تبدیل لاپلاس تابع اف بر حسب متغیر تی به صورت زیر تعریف می‌شود:

$L\{ f(t) \} = \int_0^\infty e^{-st} f(t) dt = F(s)$.

مثال

تبدیل لاپلاس تابع اف بر حسب متغیر تی با ضابطه‌ی داده شده در زیر، را به دست آورید.

$f(t) = 1$

$L\{ f(t) \} = \int_0^{\infty} e^{-st} dt = -\frac{1}{s} e^{-st} |_0^\infty = 0 - (-\frac{1}{s}) = \frac{1}{s}$.

به شرطی که متغیر اس بزرگ‌تر از صفر باشد.

$s > 0$

به دلیل اینکه علامت منفی متغیر اس انتگرال را بی‌نهایت می‌کند. یعنی انتگرال واگرا می‌شود. divergent

مثال

تبدیل لاپلاس تابع اف بر حسب متغیر تی را به دست آورید.

$f(t) = e^{at}$

$L\{ e^{at} \} = \int_0^\infty e^{-st} e^{at} dt = \int_0^\infty e^{(a - s) t} dt$

$L\{ e^{at} \} = \frac{e^{(a - s) t}}{a - s} |_0^\infty = \frac{e^{(a - s) \infty}}{a - s} - \frac{e^0}{a - s}$

$\left\{ \begin{array}{l} a > s \longrightarrow \infty &\\ a < s \longrightarrow -\frac{1}{a - s} = \frac{1}{s - a} \end{array} \right.$

یادآوری ریاضی عمومی

روش تغییر متغیر:

$\int e^{at} dt$

$u = at \longrightarrow du = a \ dt$

$\frac{1}{a} \int e^u du = \int e^{at} dt = \frac{1}{a} e^u + c = \frac{1}{a} e^{at} + c$

جدول تبدیل لاپلاس

$f(t) \to L \{ f(t) \} = F(s)$:

$f(t) = 1 \to L\{ 1 \} = F(s) = \frac{1}{s}, \ D_F: s > 0$,

$f(t) = e^{at} \to L\{ e^{at} \} = F(s) = \frac{1}{s - a}, \ D_F: s > 0$,

$f(t) = t \to L\{ t \} = F(s) = \frac{1}{s^2}, \ D_F: s > 0$,

$f(t) = t^n \ (n \in \mathbb{N}) \to L\{ t^n \} = F(s) = \frac{n!}{s^{n + 1}}, \ D_F: s > 0$,

$f(t) = cos(at) \to L\{ cos(at) \} = F(s) = \frac{s}{s^2 + a^2}, \ D_F: s > 0$,

$f(t) = sin(at) \to L\{ sin(at) \} = F(s) = \frac{a}{s^2 + a^2}, \ D_F: s > 0$.

تبدیل معکوس لاپلاس

$F(s) \leftrightarrow f(t)$

فرض کنید تابع اف بزرگ بر حسب متغیر اس را داشته باشیم و بخواهیم تابع اف کوچک بر حسب متغیر تی را پیدا کنیم. به این کار، تبدیل معکوس لاپلاس گفته می‌شود. برای مثال، فرض کنیم داشته باشیم:

$F(s) = \frac{1}{s - 8}$

آن‌گاه داریم:

$L^{-1}\{ \frac{1}{s - 8} \} = e^{8t} = f(t)$

مثال

تبدیل معکوس لاپلاس تابع زیر را به دست آورید.

$F(s) = \frac{5s - 1}{s^2 - 1}$

$\frac{5s - 1}{s^2 - 1} = \frac{5s - 1}{(s + 1) (s - 1)} = \frac{A}{s - 1} + \frac{B}{s + 1} = \frac{A (s + 1) + B (s - 1)}{(s - 1) (s + 1)}$

$\frac{As + Bs + A - B}{(s - 1) (s + 1)} = \frac{(A + B) s + (A - B)}{(s - 1) (s + 1)}$

$\left\{ \begin{array}{l} A + B = 5 &\\ A - B = -1 \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} 2A = 4 \longrightarrow A = 2 &\\ B = 3 \end{array} \right.$

از خاصیت خطی تبدیل لاپلاس معکوس استفاده می‌کنیم.

$L^{-1} \{ \frac{5s - 1}{s^2 - 1} \} = L^{-1} \{ \frac{2}{s - 1} + \frac{3}{s + 1} \} = 2 e^t + 3 e^{-t}$.

تمرین

$L^{-1} \{ \frac{3s - 2}{s^3} \}$

$L^{-1} \{ \frac{3s - 2}{s^3} \} = L^{-1} \{ \frac{A}{s^3} + \frac{B}{s^2} + \frac{C}{s} \} = L^{-1} \{ \frac{A + Bs + Cs^2}{s^3} \}$

$3s - 2 = A + Bs + C s^2$

$\left\{ \begin{array}{l} A = -2 &\\ B = 3 &\\ C = 0 \end{array} \right.$

$L^{-1} \{ \frac{3s - 2}{s^3} \} = L^{-1} \{ \frac{-2}{s^3} + \frac{3}{s^2} + \frac{0}{s} \} = L^{-1} \{ \frac{-2}{s^3} \} + L^{-1} \{ \frac{3}{s^2} \} = -t^2 + 3t$

$t^n \leftrightarrow \frac{n!}{s^{n + 1}}$

تبدیل لاپلاس مشتق

اگر تبدیل لاپلاس تابع اف بر حسب متغیر تی و تبدیل لاپلاس تابع اف پریم بر حسب متغیر تی موجود باشد،

$L\{ f(t) \}, \ L\{ f^{\prime}(t) \}$

آن گاه:

$L \{ f^{\prime}(t) \} = s L \{ f(t) \} - f(0)$

$L \{ f^{\prime \prime}(t) \} = s L \{ f^\prime (t) \} - f^\prime (0)$

$L \{ f^{\prime \prime} (t) \} = s (s L \{ f(t) \} - f(0)) - f^\prime (0)$

$L \{ f^{\prime \prime} (t) \} = s^2 L \{ f(t) \} - s \ f(0) - f^\prime (0)$

مثال

به کمک تبدیل لاپلاس، معادله‌ی دیفرانسیل زیر را با شرایط اولیه‌ی داده شده حل کنید.

$y^\prime + y = e^{2t}$,

$f(0) = y(0) = 0$.

برای حل کردن معادله از دو طرف معادله تبدیل لاپلاس می‌گیریم.

$L \{ y^\prime + y \} = L \{ e^{2t} \}$

$L \{ y^\prime \} + L \{ y \} = \frac{1}{s - 2}$

$s \ L \{ y \} - y(0) + L \{ y \} = \frac{1}{s - 2}$

$L \{ y \} (s + 1) = \frac{1}{s - 2}$

$L \{ y \} = \frac{1}{(s + 1) (s - 2)} \longrightarrow y = L^{-1} \{ \frac{1}{(s + 1) (s - 2)} \}$

$\frac{1}{(s + 1) (s - 2)} = \frac{A}{s + 1} + \frac{B}{s - 2} = \frac{A (s - 2) + B (s + 1)}{(s + 1) (s - 2)} = \frac{(A + B) s - 2A + B}{(s + 1) (s - 2)}$

$\left\{ \begin{array}{l} A + B = 0 &\\ -2A + B = 1 \end{array} \right.$

$3A = -1 \longrightarrow A = \frac{-1}{3} \longrightarrow B = \frac{1}{3}$

$y = L^{-1} \{ \frac{\frac{-1}{3}}{s + 1} + \frac{\frac{1}{3}}{s - 2} \} = \frac{-1}{3} L^{-1} \{ \frac{1}{s + 1} \} + \frac{1}{3} L^{-1} \{ \frac{1}{s - 2} \}$

$y = \frac{-1}{3} e^{-t} + \frac{1}{3} e^{2t}$.

یادآوری

$L \{ y^\prime \} = s L \{ y \} - y(0)$.

$L \{ y^{\prime \prime} \} = s L \{ y^{\prime} \} - y^\prime (0) = s (s L \{ y \} - y(0)) - y^\prime (0)$,

$L \{ y^{\prime \prime} \} = s^2 L \{ y \} - s \ y(0) - y^{\prime} (0)$.

مثال

معادله‌ی دیفرانسیل زیر با شرایط اولیه‌ی داده شده را با استفاده از تبدیل لاپلاس حل کنید.

$y^{\prime \prime} - 4 y^\prime - 5 y = 0$,

$\left\{ \begin{array}{l} y(0) = 1 &\\ y^\prime (0) = 0 \end{array} \right.$.

$L \{ y^{\prime \prime} - 4 y^\prime - 5y \} = L \{ 0 \}$

$L \{ y^{\prime \prime} \} - 4 L \{ y^\prime \} - 5 L \{ y \} = 0$

$s^2 L \{ y \} - s (1) - 4 (s L \{ y \} - 1) - 5 L \{ y \} = 0$

$s^2 L \{ y \} - s - 4s L \{ y \} + 4 - 5 L \{ y \} = 0$

$L \{ y \} (s^2 - 4s - 5) - s + 4 = 0$

$L \{ y \} (s^2 - 4s - 5) = s - 4$

$L \{ y \} = \frac{s - 4}{s^2 - 4s - 5} \longrightarrow y = L^{-1} \{ \frac{s - 4}{s^2 - 4s - 5} \}$

$\frac{s - 4}{s^2 - 4s - 5} = \frac{s - 4}{(s + 1) (s - 5)} = \frac{A}{s + 1} + \frac{B}{s - 5}$

$\frac{A (s - 5) + B (s + 1)}{(s + 1) (s - 5)} = \frac{(A + B) s - 5A + B}{(s + 1) (s - 5)}$

$\left\{ \begin{array}{l} A + B = 1 &\\ -5A + B = -4 \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} A + B = 1 &\\ 5A - B = 4 \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} 6A = 5 \longrightarrow A = \frac{5}{6} &\\ B = 1 - \frac{5}{6} = \frac{1}{6} \end{array} \right.$

$y = L^{-1} \{ \frac{\frac{5}{6}}{s + 1} + \frac{\frac{1}{6}}{s - 5} \} = \frac{5}{6} L^{-1} \{ \frac{1}{s + 1} \} + \frac{1}{6} L^{-1} \{ \frac{1}{s - 5} \}$

$y = \frac{5}{6} e^{-t} + \frac{1}{6} e^{5t}$

اگر که بخواهیم سوال را با روش قبل حل کنیم:

$y^{\prime \prime} - 4 y^\prime - 5y = 0$

معادله‌ی مفسر را می‌نویسیم:

$r^2 - 4r - 5 = 0$

$\Delta = \frac{4 \pm \sqrt{16 + 20}}{2}$

$\Delta = \frac{4 \pm 6}{2} = 2 \pm 3$

$\left\{ \begin{array}{l} r_1 = 5 &\\ r_2 = -1 \end{array} \right.$

$(r + 1) (r - 5) = 0$

$y = c_1 e^{r_1 x} + c_2 e^{r_2 x} \longrightarrow y = c_1 e^{-t} + c_2 e^{5t}$

شرایط اولیه‌ی معادله را بررسی می‌کنیم تا ضریب‌های تابع نمایی را پیدا کنیم.

$\left\{ \begin{array}{l} y(0) = 1 &\\ y^\prime (0) = 0 \end{array} \right.$

$y(0) = 1 \longrightarrow c_1 e^{-(0)} + c_2 e^{5 (0)} = 1 \longrightarrow c_1 + c_2 = 1$

$y^\prime (0) = 0 \longrightarrow y^\prime = -c_1 e^{-x} + 5 c_2 e^{5x} = 0$

$y^\prime (0) = -c_1 e^0 + 5c_2 e^0 = 0 \longrightarrow -c_1 + 5c_2 = 0$

$\left\{ \begin{array}{l} c_1 + c_2 = 1 &\\ -c_1 + 5c_2 = 0 \end{array} \right.$

$6c_2 = 1 \longrightarrow c_2 = \frac{1}{6}$

$c_1 + \frac{1}{6} = 1 \longrightarrow c_1 = 1 - \frac{1}{6} = \frac{5}{6}$

$y = \frac{5}{6} e^{-t} + \frac{1}{6} e^{5t}$.

تمرین

معادله‌ی دیفرانسیل زیر را به کمک تبدیل لاپلاس حل کنید.

$y^{\prime \prime} - 2 y^\prime - 8y = 0$,

$\left\{ \begin{array}{l} y(0) = 1 &\\ y^\prime (0) = 0 \end{array} \right.$

تبدیل لاپلاس مشتق‌های مرتبه‌ی اول و مرتبه‌ی دوم را محاسبه می‌کنیم.

$L \{ y^\prime \} = s L \{ y \} - y(0)$

$L \{ y^{\prime \prime} \} = s L \{ y^\prime \} - y^\prime (0) = s (s L \{ y \} - y(0)) - y^\prime (0)$

$L \{ y^{\prime \prime} \} = s^2 L \{ y \} - s \ y(0) - y^\prime (0)$

از خاصیت خطی بودن تبدیل لاپلاس استفاده می‌کنیم تا معادله‌ی دیفرانسیل را تبدیل کنیم.

$s^2 L \{ y \} - s \ y(0) - y^\prime (0) - 2s \ L \{ y \} + 2y(0) - 8 L \{ y \} = 0$.

از تبدیل لاپلاس متغیر وای فاکتور می‌گیریم.

$L \{ y \} (s^2 - 2s - 8) - s y(0) - y^\prime (0) + 2 y(0) = 0$

شرایط اولیه را در معادله‌ی تبدیل شده جایگذاری می‌کنیم.

$L \{ y \} (s^2 - 2s - 8) - s + 2 = 0 \longrightarrow L \{ y \} (s^2 - 2s - 8) = s - 2$

$L \{ y \} = \frac{s - 2}{s^2 - 2s - 8} \longrightarrow L \{ y \} = \frac{s - 2}{(s - 4) (s + 2)}$

$\sqrt{\Delta} = \sqrt{(-2)^2 - 4 (1) (-8)} = \sqrt{4 + 32} = \sqrt{36} = 6$

$s_{1, 2} = \frac{2 \pm 6}{2} = 1 \pm 3$

$\left\{ \begin{array}{l} s_1 = 4 &\\ s_2 = -2 \end{array} \right.$

$y = L^{-1} \{ \frac{s - 2}{(s - 4) (s + 2)} \} = L^{-1} \{ \frac{A}{s - 4} + \frac{B}{s + 2} \}$

$y = L^{-1} \{ \frac{A (s + 2)}{(s - 4) (s + 2)} + \frac{B (s - 4)}{(s - 4) (s + 2)} \}$

$y = L^{-1} \{ \frac{As + 2A + Bs - 4B}{(s - 4) (s + 2)} \} = L^{-1} \{ \frac{s - 2}{(s - 4) (s + 2)} \}$

$\left\{ \begin{array}{l} A + B = 1 &\\ 2A - 4B = -2 \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} A + B = 1 &\\ -A + 2B = 1 \end{array} \right.$

$3B = 2 \longrightarrow B = \frac{2}{3} \longrightarrow A = \frac{1}{3}$

$y = L^{-1} \{ \frac{\frac{1}{3}}{s - 4} + \frac{\frac{2}{3}}{s + 2} \} = \frac{1}{3} L^{-1} \{ \frac{1}{s - 4} \} + \frac{2}{3} L^{-1} \{ \frac{1}{s + 2} \}$

$y = \frac{1}{3} e^{4t} + \frac{2}{3} e^{-2t}$.

نکته

برای استفاده کردن از شتاب در معادله‌ی دیفرانسیل به سرعت اولیه نیاز داریم. اما برای استفاده کردن از سرعت در معادله‌ی دیفرانسیل به مکان اولیه نیاز داریم.

The System of Differential Equations

دستگاه معادلات دیفرانسیل

$\left\{ \begin{array}{l} y_1^{\prime} = 2 y_1 + 3 y_2 &\\ y_2^{\prime} = 4 y_1 - 2 y_2 \end{array} \right.$,

$y = f(x)$.

$y_1^{\prime \prime} = 2y_1^\prime + 3y_2^\prime \longrightarrow y_1^{\prime \prime} = 2y_1^\prime + 3(4y_1 - 2y_2) \longrightarrow y_1^{\prime \prime} = 2y_1^\prime + 12y_1 - 2(3y_2)$

$y_1^{\prime \prime} = 2y_1^\prime + 12y_1 - 2(y_1^\prime - 2y_1) \longrightarrow y_1^{\prime \prime} = 16y_1 \longrightarrow y_1^{\prime \prime} - 16y_1 = 0$

به یک معادله‌ی دیفرانسیل خطی مرتبه‌ی دوم با ضرایب ثابت رسیدیم. حالا معادله‌ی مفسر را تشکیل می‌دهیم.

$r^2 - 16 = 0 \longrightarrow r^2 = 16 \longrightarrow r = \pm 4$

یادآوری: معادله‌ی خطی مرتبه دوم با ضرایب ثابت.

$\left\{ \begin{array}{l} y^{\prime \prime} + ay^\prime + by = 0 &\\ r^2 + ar + b = 0 \end{array} \right.$

در نتیجه برای حل معادله داریم:

$y_1 = c_1 e^{r_1 x} + c_2 e^{r_2 x} = c_1 e^{4x} + c_2 e^{-4x}$

$y_1^\prime = 4c_1 e^{4x} - 4c_2 e^{-4x} = 2(c_1 e^{4x} + c_2 e^{-4x}) + 3y_2$

$y_2 = \frac{1}{3} (4c_1 e^{4x} - 4c_2 e^{-4x} - 2(c_1 e^{4x} + c_2 e^{-4x}))$

$y_2 = \frac{1}{3} ((4c_1 - 2c_1) e^{4x} + (-2 c_2 - 4 c_2) e^{-4x})$

$y_2 = \frac{2}{3} c_1 e^{4x} - 2c_2e^{-4x}$

تمرین

دستگاه معادله ی دیفرانسیل زیر را حل کنید.

$\left\{ \begin{array}{l} y_1^\prime = y_1 + y_2 &\\ y_2^\prime = 4y_1 - 2y_2 \end{array} \right.$

$y = f(x)$

$y_1^{\prime \prime} = y_1^\prime + y_2^\prime \longrightarrow y_1^{\prime \prime} = y_1^\prime + (4y_1 - 2y_2)$

$y_1^{\prime \prime} = y_1^\prime + 4y_1 - 2(y_1^\prime - y_1) \longrightarrow y_1^{\prime \prime} = -y_1^\prime + 6y_1$

$y_1^{\prime \prime} + y_1^\prime - 6y_1 = 0$.

به یک معادله‌ی دیفرانسیل خطی مرتبه‌ی دوم با ضرایب ثابت رسیدیم. پس باید معادله‌ی مفسر را در ادامه بنویسیم.

$\left\{ \begin{array}{l} r^2 + ar + b = 0 &\\ y^{\prime \prime} + ay^\prime + by = 0 \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} a = 1 &\\ b = -6 \end{array} \right.$

$r^2 + r - 6 = 0$

$r_{1, 2} = \frac{-1 \pm \sqrt{(1)^2 - 4 (1) (-6)}}{2} = \frac{-1 \pm \sqrt{1 - (-24)}}{2} = \frac{-1 \pm \sqrt{25}}{2}$

$\left\{ \begin{array}{l} r_1 = -3 &\\ r_2 = 2 \end{array} \right.$

$\Delta = 25 > 0$

$y_1 = c_1 e^{r_1 x} + c_2 e^{r_2 x} \longrightarrow y_1 = c_1 e^{2 x} + c_2 e^{-3 x}$

$y_1^\prime = 2 c_1 e^{2 x} - 3 c_2 e^{-3 x}$

$y_2 = y_1^\prime - y_1 = 2 c_1 e^{2 x} - 3 c_2 e^{-3 x} - y_1$

$y_2 = 2 c_1 e^{2 x} - 3 c_2 e^{-3 x} - c_1 e^{2 x} - c_2 e^{-3 x}$.

تمرین

دستگاه معادله ی دیفرانسیل زیر را حل کنید.

$\left\{ \begin{array}{l} y_1^\prime = 2y_1 - 5y_2 &\\ y_2^\prime = 5y_1 - 6y_2 \end{array} \right.$

$y = f(x)$

از مشتق تابع وای پایین‌نویس ۱، یک بار مشتق می‌گیریم تا به مشتق مرتبه‌ی دوم آن دست پیدا کنیم.

$y_1^{\prime \prime} = 2y_1^\prime - 5y_2^\prime = 2y_1^\prime - 5(5y_1 - 6y_2) = 2y_1^\prime - 25y_1 + 30y_2$

از طرفی داریم:

$-5y_2 = y_1^\prime - 2y_1 \longrightarrow y_2 = \frac{-1}{5}y_1^\prime + \frac{2}{5} y_1$

$y_1^{\prime \prime} = 2y_1^{\prime} - 25y_1 + 30(\frac{-1}{5}y_1^\prime + \frac{2}{5}y_1) = 2y_1^\prime - 25y_1 - 6y_1^\prime + 12y_1$

$y_1 ^{\prime \prime} = -4y_1^\prime - 13y_1 \longrightarrow y_1^{\prime \prime} + 4y_1^\prime + 13y_1 = 0$

به یک معادله‌ی خطی مرتبه دوم با ضرایب ثابت رسیدیم. پس معادله‌ی مفسر را ایجاد می‌کنیم.

$\left\{ \begin{array}{l} r^2 + ar + b = 0 &\\ y^{\prime \prime} + ay^\prime + by = 0 \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} a = 4 &\\ b = 13 \end{array} \right.$

$r^2 + 4r + 13 = 0$

$\sqrt{\Delta} = \sqrt{b_1^2 - 4a_1c_1} = \sqrt{(4)^2 - 4 (1) (13)} = \sqrt{16 - 52} = \sqrt{-36} = 6i$

$\Delta = -36 < 0$.

مقدار دلتا کوچک‌تر از صفر شد. پس جواب معادله‌ی دیفرانسیل به شکل زیر است:

$\left\{ \begin{array}{l} r_1 = \alpha + i \beta &\\ r_2 = \alpha - i \beta \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} r_1 = \frac{-4 + 6i}{2} &\\ r_2 = \frac{-4 - 6i}{2} \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} r_1 = -2 + 3i &\\ r_2 = -2 - 3i \end{array} \right.$

$\left\{ \begin{array}{l} \alpha = -2 &\\ \beta = 3 \end{array} \right.$

$y = e^{\alpha x} (c_1 \ cos(\beta x) + c_2 \ sin(\beta x))$

$y_1 = e^{-2x} (c_1 \ cos(3x) + c_2 \ sin(3x))$

$y_1^\prime = -2e^{-2x}(c_1cos(3x) + c_2sin(3x)) + e^{-2x}(-3c_1sin(3x) + 3c_2cos(3x))$

با جایگذاری مقدارهای تابع ایگرگ پایین‌نویس ۱ و مشتق آن در دستگاه معادلات دیفرانسیل به مقدار تابع ایگرگ پایین‌نویس ۲ می‌رسیم.

$y_1^\prime = 2y_1 - 5y_2 \longrightarrow y_2 = \frac{-1}{5} y_1^\prime + \frac{2}{5}y_1$,

$y_2 = \frac{-1}{5}(-2e^{-2x}(c_1cos(3x) + c_2sin(3x)) + e^{-2x}(-3c_1sin(3x) + 3c_2cos(3x))) + \frac{2}{5} e^{-2x}(c_1cos(3x) + c_2sin(3x))$.

References

منابع

  1. محمد علی کرایه چیان، ریاضی عمومی ۲، انتشارات تمرین، سال ۱۴۰۱، شابک ۹۷۸۹۶۴۷۶۹۵۶۴۰
  2. احمد فیض دیزجی، آنالیز تابعی کاربردی، انتشارات دانشگاه تهران، سال ۱۳۹۳، چاپ دوم، شابک ۹۶۴۰۳۶۳۲۶۳ ۹۷۸.