معادلات دیفرانسیل معمولی رشته شیمی) )
DESCRIPTION
معادلات دیفرانسیل معمولی رشته شیمی) ). بنام حضرت دوست که هرچه داریم از اوست. تهیه وتنظیم: جمال صفار اردبیلی عضو هییت علمی دانشگاه پیام نور اردبیل. www.IrPDF.com. سرفصل معادلات دیفرانسیل عنوان فصل اول: معادله دیفرانسیل مرتبه اول - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1
معمولی دیفرانسیل معادالتشیمی ((رشته
• : وتنظیم تهیهاردبیلی • صفار جمالدانشگاه • علمی هییت نور عضو پیام
اردبیل
از داریم هرچه که دوست حضرت بناماوست
2
دیفرانسیل معادالت سرفصلعنوان
: اول مرتبه دیفرانسیل معادله اول فصلآنها: 1 بندی طبقه و دیفرانسیل معادالت ماهیتآن: 2 به تبدیل و شدنی جدا دیفرانسیل معادلهآن: 3 به تبدیل و همگن دیفرانسیل معادلهمتعامد: 4 های منحنی دسته و ها منحنی دستهكامل: 5 دیفرانسیل معادلهساز: 6 انتگرال عاملبه: 7 تبدیل و خطی اول مرتبه دیفرانسیل معادله آن
3
: مرتبه دیفرانسیل معادله دوم فصل دوم
خاص: 1 حالت دوم مرتبه دیفرانسیل معادلهیا فاقد
ثابت: 2 ضرایب با دوم مرتبه دیفرانسیل معادلههمگن
3- اویلر: کشی دیفرانسیل معادلهغیر: 4 خطی دوم مرتبه دیفرانسیل معادله
) متغیر ( تغییر همگن5 ) ) نامعین: ضرایب ثابت روشضرایب
y x
4
: به دیفرانسیل معادله حل سوم فصلها روشسری
توانی: 1 سریسری: 2 های وجواب ومنفرد معمولی نقاط
دیفرانسیل معادالتخطی: 3 دیفرانسیل معادالت منظم منفرد نقاط
دوم مرتبههای 4: ریشه دارای شاخص معادله كه حالتی
است برابر
5
: چهارم فصلدیفرانسیل: 1 معادالت دستگاه
6
: الپالس تبدیالت پنجم فصل
الپالس: 1 تبدیلالپالس: 2 تبدیل خواصالپالس: 3 تبدیل معکوسالپالس: 4 روش به دیفرانسیل معادله حلتوابع: 5 برخی الپالس تبدیل
7
وطبقه دیفرانسیل معادله ماهیتآن بندی
ای: مقدمه رابطه یعنی معادله مفهوم با . ساده هستیم آشنا باشد، تساوی درآن که
باشد، می مجهولی یک معادله ترینبانماد . نشان که مثال دهیم می
و اول درجه مجهولی یک معادلهو دوم درجه مجهولی یک معادله
والی سوم درجه مجهولی یک معادله آخر
0xf0bax
02 cbxax
023 dcxbxax
8
بانماد که مجهولی دو معادله 0, yxf می نشاندهیم
0 cbyax022 feydxcybxyax
اول مثال درجه مجهولی دو معادله
اخر والی دوم درجه مجهولی دو معادله : باشد می طرح قابل سوال دونوع معادله درمورد
0x 0xf آیا( معادله الف باشد؟ جواب می
راپیدا ب( معادله جوابکنید؟
00 , yx 0, yxf جفت معادله آیا باشد؟ جواب می
9
) باشد می ساده الف سوال به دادن جوابکرد مشخص توان می جایگذاری با .زیرا
) می مشکل ب سوال به دادن جواب ولیبندی. دسته را معادالت باید ابتدا باشد
راارائه خاصی روش نوع هر وبرای کردهدو باید معادله حل برای دیگر بعبارت داده
: کنیم مشخص را مرحلهشناخت ( 1 مرحله2 )) ( روشحل حل مرحله
10
0, yxfx
yy
x
اگر حالمتغیر متغیر درمعادله رابعنوان
گاه آن بگیریم درنظر وابسته متغیر بعنوان را
از تابع تابعی مشتق درمورد توان می و باشد می
مستق
و لیعنی : کرد صحبت
n
nn
dx
ydyy
dx
ydy
dx
dyy ,...,, 2
2
2
11
xy
0,...,,,, nyyyyxf
شامل که ای معادلهاز ترکیباتی
) مستقل) و متغیر
) وابسته نماد (متغیر وبا نامیم دیفرانسیل معادله را باشد آن مشتقات و
دهیم می نشان
:تعریف
: کرد طرح سوال دو توان می نیز دیفرانسیل معادله درمورد
تابع( آیا الف 0, yxf باشد؟ می دیفرانسیل معادله جواب
کنید؟( پیدا را دیفرانسیل معادله های جواب ب
12
xey 2065 yyy
) ( ) جایگذاری با است ساده الف سوال به دادن جوابتابع یاآمثال
معادله میباشد؟ جواب
) باشد می مشکل ب سوال به دادن جواب . دارد آن بندی وطبقه معادله نوع به وبستگی
سراغ به دیفرانسیل معادله ودرجه مرتبه باتعریف ) رویم می ب .سوال
را :تعریف معادله هر در مشتق تکرار بیشتریندرجه را مشتق تکرار بیشترین وتوان آن مرتبه
نامیم دیفرانسیل . معادله
13
مثال : معادله 1(
. باشد می سوم درجه ، اول مرتبه
معادله( 2
. باشد می اول درجه ، سوم مرتبه
معادله( 3باشد می اول درجه ، سوم . مرتبه
543 xyy
xdx
yd
dx
yd
2
2
2
3
3
432 yyy
14
شدنی جدا دیفرانسیل معادلهمرتبه تعریف به باتوجه معمولی معادله مشابه
راطبقه آنها توان می دیفرانسیل معادله ودرجه . دیفرانسیل معادله ترین ساده بنابراین کرد بندی
بصورت اول که مرتبه باشد میتوان مرتبه اگر معادله آنگاه باشد برابربایک
باشد می اول درجه اول
0,, yyxfy
کلی بصورت (,)
,
,yxF
yxg
yxfy
اول که درجه اول مرتبه
می باشد
15
اول :تعریف درجه اول مرتبه دیفرانسیل معادلهصورت به
.) هر ( شناخت مرحله نامیم شدنی جدا معادله رااختصارا را جداشدنی اول درجه اول مرتبه معادله
. ) معادله ( هر نامیم پذیر جدایی جداشدنی معادلهکلی بصورت توان می را شدنی جدا
کرد .تبدیل
ygxf
y
0 dyyNdxxM
16
: جداشدنی دیفرانسیل معادله انتگرال حل جداشدنی گیریبا معادله از
0 dyyNdxxM. کرد محاسبه آنرا جواب توان می
محاسبه: تذکر دیفرانسیل معادله حل از هدف . جوابی باشد می دیفرانسیل معادله عمومی جواب
به پارامترها تعداد هرگاه نامیم عمومی جواب راآنرا بعدا که باشد دیفرانسیل معادله مرتبه تعداد
کرد خواهیم تعریف .دقیقا
17
. معادله :مثال کنیم می حل راداریم: حل
گاه آن
ویا درنتیجه
) است ( معادله عمومی . جواب
yy
xxy
2
2
yy
xx
dx
dy
2
2
022 dyyydxxx
022 dyyydxxx
cyyxx 3223
3
1
2
1
2
1
3
1
18
ممکن اول درجه اول مرتبه دیفرانسیل معادلهتقسیم با ولی نباشد جداشدنی ظاهر به استشدنی جدا به تبدیل را آن توان می برعباراتی
.نمود
معادله : مثال
تقسیم با ولی نیست، شدنی جدا ظاهر بهاضافی عبارات : برحاصلضرب داریم
انتگرال با پس است شدنی جدا داریم : گیریکه
است معادله . جواب
01111 22 dyyxdxxy
11 yx01
1
1
1 22
dyy
ydx
x
x
cyyyxxx 1ln22
11ln2
2
1 22
19
همگن دیفرانسیل معادلهبصورت اول درجه اول مرتبه معادله شد مالحظه
صورت به ویا
باشد می
yxgyxf
y,
,
0,, dyyxNdxyxM
20
معادالت مثال
که باشند می اول درجه اول مرتبه معادالتدارای اولی معادله ولی نیستند شدنی جدا هیچکدام
. نیست دومی معادله که باشد می خاصیتیتوابع جمالت تمام اول دیفرانسیل درمعادله
دومی معادله ولی باشد می دو یکسان توان از . می تعریف ریاضی رابانماد مفهوم این نیست چنین
.کنیم
xy
yxy
xy
yxy
22
2
2
,
(,),(,) yxfzyxgz
21
متغیره :تعریف دو تابع
درجه از همگن تابع زیر را درشرط هرگاه نامیمکند :صدق
(,) yxfz
yxfttytxf n ,,
n
تاب ع
22, yxyxyxf می دو ازدرجه همگن تابع باشد
تابع x
yyxeyxf x
y
sin,
باشد می یک درجه از همگن .تابع
22
دیفرانسیل تعریف: معادله
متغیره دو توابع گاه هر نامیم همگن معادله را
. دیگر بعبارت باشند یکسان درجه از همگن توابعدیفرانسیل معادله
متغیره دو توابع گاه هر نامیم همگن معادله راباشند یکسان درجه از همگن توابع .
yxgyxf
y,
,
fg,
0,, dyyxNdxyxM
NM ,
23
همگن دیفرانسیل معادله کنیم: حل فرض معادله
. متغیر تغییر بافرض باشد داریم همگنپس
که شود می نتیجه درمعادله جایگذاری با گاه آن
به آنرا توان می است شدنی جدا اخیر معادله کهجایگذاری وبا کرد حل شدنی جدا روش
آید می بدست اولیه دیفرانسیل معادله .جواب
yxgyxf
y,
,
x
yv vxy
vxy
1, 1,
1, 1,
f v f vdv dv dxv x v x v f v
g v dx g v f v x
x
yv
24
همگن :مثال دیفرانسیل معادله باجایگذاری کنیم می حل و را
:داریم
اضافی عبارات برحاصلضرب تقسیم با
:داریم
xdvvdxdy vxy
221 vx 0
21 2
dvv
v
x
dx
022 xydydxyx
021
021
0
0
2
322
322222
222
xvdvdxv
vdvxdxvx
vdvxdxxvxvx
xdvvdxxvxdxxvx
25
جای بتذکر: به کردن ساده معموال رایبعنوان .را کنیم می اختیار ثابت پارامتر
. باشد می دیفرانسیل معادله جواب
21ln ln)1 2 ( ln
4x v c
ccln
12 4
24
2
42
ln )1 2 ( ln
)1 2 (
2)1 (
x v c
x v c
yx c
x
26
های منحنی ودسته ها منحنی دستهمتعامد
معادله هر عمومی جواب که شد مالحظهثابت یک شامل معموال اول مرتبه دیفرانسیل
. مقادیر وقتی است پارامتر به موسوم اختیارییک شود، می داده نسبت پارامتر این به مختلفی
این از یک هر آید می دست به منحنی دستهدیفرانسیل معادله خصوصی جواب یک ها منحنیآن عمومی جواب هم با آنها وهمه است مفروض
. معادله بنابراین دهند می تشکیل را
. بنابراین دهند می تشکیل را آن عمومی جوابمعادله
باشد می منحنی دسته . یک
0(,,) cyxf
0(,,) cyxf
27
بریک متعامد های منحنی دسته خواهیم می حالمعادله از رابااستفاده مفروض منحنی دسته
معادله از کاربردی که آوریم بدست دیفرانسیل . دسته تعدادی مثال بعنوان باشد می دیفرانسیل
کنیم : می رسم زیر رادر منحنی
28
29
مطالب به توجه با زیر باال حال روند از استفاده وبادسته بریک متعامد های منحنی دسته توان می
کرد پیدا را ها : منحنی
0(,,)01
,,0,,1
cyxgy
yxfyyxf yy
0(,,) cyxf
ها منحنی دسته معادله
معادله دیفرانسیل منحنی دسته ها
دیفرانسیل معادلههای منحنی دسته متعامد
دسته های منحنی متعامد
30
منحنی :مثال بردسته متعامد های منحنی دستهرابدست دلخواه وشعاع مبدا مرکز به دوایر های
: آوریم می
مشتق
متعامد های منحنی دسته
222 cyx 0022 yyxyyx
01
1
yyxy
yyyx
y
yx
cxyx
dx
y
dyy
dx
dyx lnlnln
cxycxy lnln
31
32
داده های منحنی دسته که است مناسب اغلبدراین کنیم بیان قطبی مختصات برحسب را شده
اگر که کنیم می استفاده موضوع این از حالتگاه آن باشد مماس وخط حامل شعاع بین زاویه
.) باال( بحث استفاده با عمومی ریاضی برای
متعامد های منحنی دسته له درمعادیافتنمنحنی دسته دیفرانسیل
عبارت جای به شده آن داده عکس منفییعنی
کنیم می جایگذاری .را
dr
rd tan
dr
rd
rddr
33
منحنی : بردسته متعامد های منحنی دسته مثال های
. معادله آوریم می بدست قطبی درمختصات رااست عبارت قطبی مختصات در ها منحنی دسته
از :بنابراین :
حذف با :داریم که
ویا
cxyx 222
cos2cr
sin2c
d
dr
c
sincos
r
d
dr
sin
cos
dr
rd
34
جایگذاری با : به که داریم
. باشد می متعامد های منحنی دسته معادله
dr
rdrddr
sin2
sin2lnln2lnsinlnlnsin
cos
sin
cos
cr
crcr
dr
drr
rd
dr
35
36
کامل دیفرانسیل معادلهمتغیره دو توابع دیفرانسیل با عمومی درریاضیات
کامل دیفرانسیل که کردیم ومالحظه شدیم آشنانماد با که را است تابع عبارت دهیم می نشان
ز ا
اول درجه اول مرتبه دیفرانسیل معادله وهمچنینکلی بصورت
. باشد می
(,) yxfz
df
dyy
fdx
x
fdf
0,, dyyxNdxyxM
37
دیفرانسیل :تعریف معادله
متغیره دو تابع گاه هر نامیم کامل معادله را
که بطوری باشد . و موجود
معادله اینکه تعیین باال تعریف به توجه بامشکل باشد، می کامل شده داده دیفرانسیلراجستجو متغیره دو توابع تمام باید زیرا استدارای تابع کدام بترتیب که کنیم ومالحظه کنیم
به نسبت جزیی توابع مشتقات با برابر
باشد و می
0,, dyyxNdxyxM
(,) yxfz
yxMx
f,
yxN
y
f,
xy, yxMM , yxNN ,
38
به است مشکل باشد، پذیر امکان کار این اگرروی شرایطی دلیل می همین بدست
. با کند تضمین را تابعی چنین وجود که آوریمهای رابطه طرفین از جزیی گیری مشتق
به نسبت ترتیب داریم: به
: داریم پیوسته توابع برای اینکه به توجه با
: بنابراین
NM ,
yxMx
f,
yxN
y
f,
yx,
y
M
x
f
yx
N
y
f
x
,
xy
f
yx
f
22
x
N
y
M
39
دیفرانسیل معادله بودن کامل شرط بنابراین
از است : عبارت
) شناخت .(مرحله
0,, dyyxNdxyxM
x
N
y
M
40
.:مثال باشد می کامل زیر دیفرانسیل معادالت الف(
زیرا
(ب زیرا
032 2 dyyxdxyx
11
x
N
y
M
0332 2223 dyxyyxdxyxy
1616 22
xyx
Nxy
y
M
41
کامل دیفرانسیل معادله :حلدیفرانسیل معادله که کنیم فرض
کامل، دیفرانسیل معادله تعریف بنابر باشد کاملمانند تابعی
: که است موجود
شود می نتیجه باال های تساوی بنابر پس
باشد ویا می دیفرانسیل معادله . جواب
0,, dyyxNdxyxM
(,) yxfz
yxMx
f,
yxN
y
f,
0df
cf
42
جزیی مشتقات معلومات، با تنها که باشد می. کرد محاسبه آنرا توان می زیر روند از استفاده
دوم رابطه از استفاده با گاه مقدار آن
مجهول آن از گیری انتگرال با که آید می بدستهمان در که شود می محاسبه باشد میکه نتیجه آید می بدست
است دیفرانسیل معادله . جواب
f
ydxyxmyy
f
ydxyxMfyxMx
f
yxNy
f
yx
,
,,
,
yxNy
f,
y
f y f
cf
43
معادله :مثال که شد مالحظه
: پس باشد می کامل
. است دیفرانسیل معادله جواب
cyyxxyyxxfyy
yyyxyxyxy
f
yxy
fyyxxfyx
x
f
df
yx
320323
222
2
333
2
032 2 dyyxdxyx
44
ساز انتگرال عاملدیفرانسیل معادله
زیرا باشد نمی کامل
در را باال معادله طرفین اگر ولی
داریم کنیم : ضرب
زیرا باشد می کامل جدید دیفرانسیل معادله واین
جدید دیفرانسیل معادله کامل روش به توان می وکرد حل . را
02 dyxxydx
1,12
y
Mx
x
N
2
1
xu
01
12
dy
xdx
x
y
22
1,
1
xy
M
xx
N
45
کامل دیفرانسیل معادله است ممکن بنابراینعامل آنرا که درتابع کردن باضرب ولی نباشد . اکنون کرد کامل به تبدیل سازگوییم انتگرال
وچگونگی ساز انتگرال عامل وجود شرط . که کنیم فرض کنیم می بیان را آن محاسبه
معادله
یعنی نباشد کامل
ساز انتگرال عامل باشد، ودارایمعادله ساز انتگرال عامل تعریف طبق آنگاه
جدید
باشد می کامل
0,, dyyxNdxyxM
x
N
y
M
(,) yxuu
0uNdyuMdx
46
x
uN
x
Nu
y
uM
y
Mu
محاسبه به که نیست ممکن معادله این ازانتگرال عامل خاصی شرایط تحت دلیل همین
. کنیم می بررسی را ساز
u
ساز( ا انتگرال عامل که کنیم می فرض لفاز تابعی یعنی فقط گاه باشد آن ،
x()xuu
, 0u du u
x dx y
47
: داریم جایگذاری با که
. باشد می ساز انتگرال عامل
فقط( ساز انتگرال عامل که کنیم می فرض باز یعنی تابعی آ باشد گاه ، ن
y()yuu
dxxpeuو
x
N
y
M
Nxp
1
, 0u du u
y dy x
48
: داریم جایگذاری با که
باشد می ساز انتگرال .عامل
x
N
y
M
Myq
1 dyyqeu
49
معادله :مثال برای سازی انتگرال عامل
. کنیم می پیدا رامشترک: مقدار ابتدا حل
بر تقسیم با که کنیم می محاسبه داریم: را
انتگرال پس عامل. باشد می ساز
01 2 dyxxydx
xxxx
N
y
M
2
M
1 1 1M Nq y x
M y x xy y
yeeu ydyy
ln
1
50
دارای :تذکر کامل غیر دیفرانسیل معادله گاهیبصورت سازی انتگرال عامل
درآن که مناسبی است، های ثابت. هستند
, n mu x y x ymn,
صورت به سازی انتگرال عامل یافتن برای
کنیم می ضرب درآن را معادله واز طرفینکاملشرط
کنیم می .استفاده
, n mu x y x y
51
کوتاه: یا بندی روشدسته با تذکر گاهی ،به را دیفرانسیل معادله توان می کردن جستجو
: کرد بندی دسته زیر حاالت از یکی الف(
) جداشدنی(
ب(
ج(
د( از گیری انتگرال با توان می سادگی به که
آورد بدست را آنها جواب معادالت . طرفین
dyyNdxxM
yxvddxxM ,
dyyNyxud ,
yxvdyxud ,,
52
:یادآوری
(الف
(ب
(ج
(د
2
2
12 2
) (
) (
) (
)tan (
d xy ydx xdy
x ydx xdydy y
y ydx xdydx x
y ydx xdyd
x x y
53
(ه
(و
2(ز
12 2
22 2
)ln (
)tan ) ((1
)ln) (( 2
x ydx xdyd
y xy
ydx xdyd xy
x y
xdx ydyd x y
x y
54
دیفرانسیل :مثال را معادله. کنیم می حل بندی دسته باروش
صورت: به را دیفرانسیل معادله حلکه نویسیم واز می
:داریم( ب(فرمول
شود می نتیجه گیری انتگرال با که
. باشد می دیفرانسیل معادله جواب
02 xdydxyy
02 xdyydxdxydxyxdyydx 2
dxy
xdyydxdx
y
xd
2
,
cxy
x
xc
xy
,
55
اول مرتبه دیفرانسیل معادله خطی
بصورت اول مرتبه معادله که شد مالحظههای توان اگر که باشد باشد می یک با برابر
خط ( معادله نامیم خطی اول مرتبه معادله آنراتوان که شد می مالحظه یک با برابر
از یکی توان اگر که آن یا باشد باشد یک غیر به ) مرتبه معادله بنابراین باشد می منحنی معادله گاه
صورت به خطی اول
باشد .می
0,, yyxfyy ,
cbyax yx,xy
xfyxfyxf 321 ()()
56
بر طرفین تقسیم اول با مرتبه معادلهکلی بصورت خطی
) اول ( مرتبه زیر معادالت مثال شناخت مرحله است: هستند خطی
الف(
ب(
ج(
1f
xqyxpy
31xy
xy
xeyx
y 1
2
2 xexyy
57
دیفرانسیل معادله حل برای
نه؟ یا است کامل آیا که کنیم می مالحظه ابتدا
مرتبه معادله ساز انتگرال عاملاست خطی و اول
xqyxpy
dxxpeu
cdxxqeeydxxpdxxp
.[خطی اول مرتبه معادله عمومی جواب xqyxpy
باشد می
58
خطی :مثال اول مرتبه حل معادله را. کنیم می
پس: و چون
دیفرانسیل معادله است جواب .
31xy
xy
x
xp1
3xxq cdxxeeydxx
dxx
3
11
.[
].[].[ 3ln3.lnln 1
cdxxxeycdxxeey xxx
x
cxycxxy
451
5
1
5
1
59
به خطی اول مرتبه معادالت از خاصی حالت صورت
های توان که باشد می می یک با برابربا. باشد
با خطی اول مرتبه معادله حل روش به توجهنقش که با تعویض شود می نتیجه وبالعکس
yqxypdy
dx
dy
dxxx ,
xy
].[ cdyyqeexdyypdyyp
60
به - تبدیل که اول مرتبه معادالت از خاصی حالتصورت به شود می خطی
ازای به که باشد اول می مرتبه معادلهازای وبه است شدنی خطی جدا معادله
ازای وبه برنولی است معادله ، . می را برنولی دیفرانسیل معادله شود می نامیده
متغیر تغییر با کرد توان دارای و حلجواب
است.
nyxqyxpy ()()
0n1n1,0n
nyz 1
cdxxqneeyzdxxpndxxpnn
()(1.)[()(1)()(1)1
61
معادله: حل مثال را. کنیم می
داریم: و و و حلپس:
. است معادله عمومی جواب
431yxy
xy
4n31 nx
xp1
() 3() xxq
](3.)[ 31
(3)1
(3)3 cdxxeey
dxx
dxx
343
33
33
3333
3
(3)
]3[
](3.)[
cxxy
cxxy
cdxxy
cdxxxxy
62
توان می اول مرتبه دیفرانسیل معادله بعنواندیفرانسیل معادله
نام به کرد مطرح معروف (Clairaut(کلرو راکه. شود می مالحظه بسادگی است
مشتق با زیرا باشد باالمی معادله از جوابیداریم نتیجه گیری درجواب جایگذاری با
شود کلرو می معادله کهجایگذاری. با کلرو معادله جواب بنابراین است
. آید می بدست
()yfyxy
()cfcxy cy
()yfyxy
yc
yc
63
معادله :مثال
. کنید حل را
جایگذاری: با دارای حل معادلهجواب
.است
2()yyxy
cy
2ccxy
64
اول - مرتبه دیفرانسیل معادله آخرین بعنوانصورت (Riccati (ریکاتی به که کنیم می رابیان
شرط جواب با کردن پیدا برای باشد میمعلوم آن از خاص جوابی باید باال معادله عمومی
.باشد
. اگر باشد باال معادله از خاص جواب یک جایگذاری
معادله و به را معادلهدیفرانسیل
خطی که اول کند است، مرتبه می .تبدیل
2()()() yxhyxgxfy 0() xh
()1 xyy
uyy
11
21 u
uyy
()]()2()[ 1 xhuyxhxgu
65
با( معادله : مثال: کنیم ( می حل را
چون: و و حلپس:
پس: و بنابراین
23 12y
xy
xxy 2
1 xy
3() xxf x
xg2
() 1) (h x
x
xux
xxu
1(](.)
1)2
2[ 2
xux
xu
1(2
2)
xx
xp 22
() x
xq1
()
]1
[22 ln2(ln2) cdxx
eeu xxxx
66
]1
[22 ln2(ln2) cdxx
eeu xxxx
]1
.[22 ln2ln2 cdxx
eeeeu xxxx
2 22 2 1[ . ]x xu x e x e dx c
x
][222 cdxexexu xx
2
2
2
2
22222
2
2
2
1
2
1x
x
x
x
ex
ce
ex
c
xecxxu
ce
exxy
x
x
2
22
22
67
دوم مرتبه دیفرانسیل معادلهمعادله فصل دوم دراین مرتبه
. کنیم می بررسی خاص درحاالت را
خاص حالت دوم مرتبه معادلهxیا yفاقد
ضریب درمعادله است برابر یا ممکن. باشد صفر
0(,,,) yyyxf
xy
68
صورت- به دوم را معادله مرتبهفاقد
مثال. و نامیم
فاقد دوم مرتبه . معادالت باشند می
صورت - به دوم را معادله مرتبه فاقد
مثال. و نامیم
فاقد دوم مرتبه . معادالت باشند می
0(,,) yyyfx
2()yyy 0 yyx
0(,,) yyxfy
yyx 23xyyx y
69
معادله الف( حلمتغیر تغییر به با را معادله توان می
بدست معادله اگر که کرد تبدیل اول مرتبه معادلهقبال که باشد اول مرتبه معادالت از یکی آمده
است شده کرد بحث حل آنرا توان می
بافرض با داریم زیرا کهشود می نتیجه درمعادله جایگذاری
. باشد می اول مرتبه معادله که
0(,,) yyxfpy
py dx
dpy
0(,,) dx
dppxf
70
معادله ب( حلمتغیر تغییر به با را معادله توان می
بدست معادله اگر که کرد تبدیل اول مرتبه معادلهقبال که باشد اول مرتبه معادالت از یکی آمده
است شده کرد بحث حل آنرا توان می
بافرض داریم زیراکه
شود می نتیجه درمعادله جایگذاری با
فرض با اول مرتبه معادله مستقل که متغیر. و باشد می وابسته متغیر
py
py
0(,,) yyyf
dy
dpp
dx
dy
dy
dp
dx
dpy
0(,,) dy
dpppyf
yp
71
فاقد : مثال باتغییر ، معادله را متغیر
. کنیم می حل
جایگذاری با داریم: که
. است دیفرانسیل معادله عمومی جواب
yyyx py
dx
dpy
x
dx
p
dpp
dx
dpx
22
11
111
2
1
lnlnlnlnln
cxcyxdxcdyxcdx
dy
xcpxcpcxp
72
فاقد : مثال دوم مرتبه ، معادلهمتغیر باتغییر با را که کنیم می حل
جایگذاری
داریم:
. است دیفرانسیل معادله عمومی جواب
x2()yyy py
dy
dppy pdyydpp
dy
dpyp 2
1 1 1
1 1
1 1 1
2
ln ln ln
ln
.c x c c x c xc
dp dyp y c p c y
p y
dy dyc y c dx y c x c
dx y
y e e e y c e
73
معادالت تذکر: نوع این درحلهر درواقع دوم، مرتبه دیفرانسیلمعادله دو به را دوم مرتبه معادله
حل را وآنها کرده تبدیل اول مرتبهکنیم .می
74
ثابت ضرایب با دوم مرتبه معادله همگن
رابررسی دوم مرتبه از خاصی حالت بخش دراین . دوم مرتبه معادله که شد مالحظه کنیم می
کلی بصورت خطی
اگر که باشد دوم می مرتبه آنرانامیم همگن خطی
()()()() 4321 xfyxfyxfyxf
0()4 xf
75
باشند اگر ثابت توابعآن باشند ثابت اعداد آنها مقادیر دیگر بعبارت
بصورت معادله گاه
ساده بصورت آنرا توان می که باشد می
با همگن خطی دوم مرتبه آنرا که کرد مالحظهثابت ضرایب با اختصارا یا ، ثابت ضرایب
) شناخت . ( مرحله نامیم
321 ,, fff
0321 yayaya
0 byyay
76
معادله : حل
نماد تعریف و داریم با
درمعادله جایگذاری با که
که شود می : نتیجه
0 byyay
dx
dD Dy
dx
dyy
yDdx
dy
dx
dy 2()
2) ( 0D aD b y
0 byyay
77
یا ( معادله کمکی معادله رادو( درجه معادله یک کمکی، معادله نامیم مفسر: دهد رخ زیر حالت سه است ممکن که باشد می
یعنی( باشد متمایز ریشه دو دارای الف
) یعنی( ( باشد تکراری مضاعف ریشه دارای ب
یعنی ( ج باشد مختلط ریشه دارای
02 baDD
0(()) 212 mDmDbaDD
0(())2 mDmDbaDD
0()()))2 iDiDbaDD
78
دیفرانسیل معادله را بنابرایناول مرتبه معادله دو به کمکی معادله به توجه با
. بنابراین کنیم می حل وآنرا کرده : تبدیلبافرض الف( که
اول داریم مرتبه معادله حل وبامی شود نتیجه .
درمعادله جایگذاری که با
داریم و باال خطی معادله حل
0() 2 ybaDD
0(()) 21 ymDmDuymD () 2
0() 1 umD0() 1 umD
xmecu 11
uymD () 2
xmxm ececy 2121
79
اگر( مشابه ب گاه آن ) که شود می نتیجه الف قسمت
. باشد می دیفرانسیل معادله جوابباشد( مختلط ریشه دو دارای کمکی معادله اگر ج
: ) داریم الف بنابر
ویامعادله باشد جواب می دیفرانسیل
0(()) ymDmD
mxmx xececy 21
(sincos) 21 xcxcey x
xixi ececy ()2
()1
80
معادالت:مثال (الف(ب (ج
باشند می ثابت ضرایب با دوم مرتبه .معادالت
065 yyy044 yyy0 yyy
81
) از: است عبارت کمکی معادله الف حل :بنابراین که
است دیفرانسیل معادله عمومی .جواباز( است عبارت کمکی معادله ب
بنابراین : که است دیفرانسیل معادله عمومی .جواب
از( است عبارت کمکی معادله جکه
پس و :بنابراین
است دیفرانسیل معادله عمومی .جواب
0652 DD3,2Dxx ececy 3
22
1
0442 DD2,2Dxx xececy 2
22
1
012 DDiD
2
3
2
1
2
1
2
3
(2
3sin
2
3cos) 21
2
1
xcxceyx
82
می :تذکر دیگرنیز روش به را دوم مرتبه معادلهاگر که کرد حل و توان
دیفرانسیل معادله از جوابی که باشند توابعیگاه آن همگن، دوم مرتبه
واگر باشد می دیفرانسیل معادله از جوابی ، جواب این آنگاه باشند خطی مستقل توابعی
ومی است دیفرانسیل معادله عمومی جواباین از را دوم مرتبه دیفرانسیل معادله توان
کرد بررسی . دیدگاه
()11 xyy ()22 xyy
()() 2211 xycxycy
12 , yy
83
معادله جواب وجود شرایط معموالهمگن دوم مرتبه دیفرانسیل
معادالت نظریه دردرسشود می بحث دیفرانسیل
می بیان توابع روی را وشرایطیمعادله جواب وجود که کنند
ما که کند تضمین را دیفرانسیل. شویم نمی بحث این وارد اینجا
84
تابع :تعریف دو هر و برایدترمینان
رونسک می توابع( Wronskian (نییرانماد وبا نامیم
دهیم می . نشان
()xf()xg
) ( ) () ( ) ( ) ( ) (
) ( ) (
f x g xf x g x g x f x
f x g x
fg,
()()()()(,) xgxfxgxfgfw
85
رونسک - که شود می متحد یثابت نیدوتابع اگر وفقط اگر است صفر با . تر ساده بعبارت اند خطی وابسته
گاه هر اند خطی وابسته تابع، دودرغیر باشد، دیگری مضرب یکیخطی مستقل را آنها صورت این
. نامیم می
86
توابع: که میشود حظه مال بسادگی توجه
شرط بها با مشا اند خطی مستقل
همچنین و اند خطی مستقل
و
شرط . با اند خطی مستقل
xmxm eyey 1212 ,
21 mm mxmx eyxey 12 ,
xey x cos1 xey x sin2
0
87
معادالت :تذکر برای را باال نتایجمرتبه ثابت ضرایب با دیفرانسیلیعنی . کرد تعمیم توان باالنیزمی
معادله کمکی معادله اگرهای ریشه دارای دیفرانسیل
ومختلط ومضاعف متمایز حقیقی . معادله جواب گاه آن باشد داشتههای جواب از ترکیبی دیفرانسیل
. است شده بیان
88
دیفرانسیل معادله مثال
ر که باشد می کمکی معادله آن یشدارای های هاست :از عبارت
بنابراین
است دیفرانسیل معادله . جواب
021 2 yDDD
2,2,1,0D
xxxx xececececy 24
232
01
89
- اویلر کشی معادلههمگن خطی دوم مرتبه معادله
درآن - اعداد راکه کشی معادله اند بت ثا.(Cauchy-Euler(اویلر نامیم می
کشی – های معادله زیر دیفرانسیل معادالت مثال. باشند می اویلر
الف(
) ب
02 byyaxyxab,
0642 yyxyx
02 yyxyx
90
اویلر – کشی معادله حل
متغیر تغییر با را معادله توان این میکرد تبدیل ثابت ضریب با دوم مرتبه معادله به
: زیرا
و
های مشتق به اگر با نسبت رابه تبدیل معادله دهیم، نشان
است . ثابت ضرایب با معادله که شود می
02 byyaxyxtex
dt
dyyx
dt
dy
dt
ydyx
2
22
ytYY ,
0() bYYaYY
91
::مثال کنیم – می حل را زیر اویلر کشی معادله
: فرض با داریم: حل
های ریشه دارای کمکی معادله پس : بنابراین است
جایگذاری می( یا( با نتیجه
شود:
. است – اویلر کشی معادله جواب
0642 yyxyxtex
064(1) YDYYDD
3,2Dtt ececY 3
22
1 tex xt ln
32
21 xcxcy
92
دیفرانسیل : تذکر معادالت برای را باال نتایج . داد – تعمیم توان می نیز باال مرتبه اویلر کشی
سوم – مرتبه اویلر کشی معادله مثال
متغیر تغییر با توان می به را تبدیلمعادله :
. کرد حل ثابت روشضرایب با وآنرا نمود
023 cyybxyaxyxtex
0((1)(2()1)) YcbDDaDDDD
93
را – :مثال زیر اویلر کشی دیفرانسیل معادله: کنیم می حل
فرض :حل :داریم با
بنابراین :
0884 23 yyxyxyxtex
088(1)4(2()1) YDYyDDYDDD
0(88(1)4(2()1)) YDDDDDD4,2,10(4()2()1) DDDD
ttt ecececY 43
221
4
32
21 xcxcxcy
94
خطی دوم مرتبه دیفرانسیل معادلههمگن غیر
با خطی دوم مرتبه معادله که شد مالحظهبصورت همگن غیر ثابت ضرایب
اگر که باشد معادله می آنرانامیم همگن ثابت ضرایب با خطی دوم مرتبه
یعنی :
بصورت جوابی می ودارای.باشد
()xfbyyay 0() xf
0 byyay
2211 uucy
95
اگر همگن حال معادله عمومی جواب
همگن و غیر معادله از خاص جوابی
گاه آن باشد
باشد می همگن غیر معادله عمومی .جواب
0 byyaycy
py
()xfbyyay
pc yyy
96
دیفرانسیل :تعریف معادلهوابسته ثابت ضرایب با دیفرانسیل معادله را
دیفرانسیل معادله
نامیم.خاص جواب کردن پیدا درس قسمت این از هدف
همگن غیر معادله
کردن پیدا برای روش دو که باشد ارائه می. دهیم می
0 byyay
()xfbyyay
()xfbyyay
py
97
پارامتر :الف( تغییر روش
خاص جواب که کنیم می فرض روش دراینبصورت
چون که شد جواب باپارامترهای تغییر وبا باشد می به همگن
آمده و توابع بدستپارامتر تغییر را روش این دلیل همین به است،
. نامیم
py
2211 uvuvy p
2211 ucucyc 21,cc()11 xvv
()22 xvv
98
خاص جواب ظاهر بودن معلوم به توجه با حالتوابع که روابطی است صدق کافی درآن
: داریم . بنابراین کنیم پیدا را کنند می
همگن درمعادله باید چونبنابراین کند، صدق
12 ,vv
22221111 uvuvuvuvy p
2222222211111111 uvuvuvuvuvuvuvuvy p
()xfbyyay ppp
1 1 2 2
1 1 2 2
0
) (
v u v u
v u v u f x
99
باشد می مجهولی دو معادله دو دستگاه کهمقادیر آن از توان محاسبه ومی را
گیری انتگرال با و کرده
جا آن واز شود می محاسبه
آید می .بدست
دهیم می توضیح مثال یک با
12 ,vv
12 ,vv
1 1 2 2py v u v u
100
همگن :مثال غیر معادله : کنیم می حل را
وابسته : معادله دارای حلبنابراین جواب و است
پس:
در اول معادله ضرب طرفین با جمع و: داریم باال دومعادله
جایگذاری : با داریم اول درمعادله
xeyyy 365
065 yyyxx
c ececy 32
21 xeu 2
1 xeu 32
xxx
xx
eevev
evev
3(3)(2)
03
22
1
32
21
2xx eev 33
2
xx evev 22
22 2
33
xev 22 3
101
درنتیجه:
پس
. است همگن غیر معادله عمومی جواب
0(3) 3221 xxx eeev
xxxx eveveev 333 112
1
xxx
xxxxp
eee
eeeeuvuvy
2
3
2
33
.2
3.3 322
2211
xxx eececy2
332
21
102
همگن :مثال غیر معادله . کنیم می حل را
وابسته: معادله دارای حلبنابراین جواب است
پس : و
در اول معادله ضرب دو- 2با طرفین جمع و : داریم باال معادله
جایگذاری : با داریم اول معادله در
xyyy 165
065 yyyxx
c ececy 32
21 xeu 2
1 xeu 32
xevev
evevxx
xx
1(3)(2)
03
22
1
32
21
xev x 132
xxx eexvexv 332
32 8
1(1)
3
1(1)
xexv 32 (1)
103
درنتیجه :
پس
. است همگن غیر معادله عمومی جواب
xxxx exveexev 21
3321 (1)0(1)
xxxx eexveexv 221
221 4
1(1)
2
1(
4
1(1)
2
1)
36
11
6
1
9
1
3
1
3
1
4
1
2
1
2
19
1(1)
3
1
4
1(1)
2
12211
xxx
xxuvuvy p
xececy xx
6
1
36
1132
21
104
برای تذكر: توان می تغییرپارامتررا روشمرتبه داد، معادالت تعمیم همگن غیر خطی ،
: اگر یعنی
گاه آن باشد وابسته همگن معادله عمومی جوابفرض با
دستگاه و وحل می معادله زیر مجهولیبدست را همگن غیر معادله خاص جواب توان
آورد:
n
n n
1 1 2 2 ...c n ny c u c u c u
1 1 2 2 ...p n ny v u v u v u
105
()...
0...
0...
0...
(1)(1)22
(1)11
(2)(2)22
(2)11
2211
2211
xfuvuvuv
uvuvuv
uvuvuv
uvuvuv
nnn
nn
nnn
nn
nn
nn
106
می – تذكر: نیز را همگن غیر اویلر كشی معادلهبا معادله به تبدیل مناسب متغیر تغییر با توان
روش به وآنرا نمود همگن غیر ضرایب. كرد حل تغییرپارامتر
امثل
متغیر تغییر معادله با به تبدیل
. شود می
xexyyxyx 22 2tx e
teteeYDYYDD 22(1)
107
ضرایب ( ثابت روشضرایبنامعین(
همگن غیر درمعادلهاگر كه شد نمایی مالحظه تابعی
گاه آن . باشد باشد می نمایی قبالنیزاگر كه گاه دیدیم آن
كرده. استفاده مطلب این از استدرحاالت ثابت روشضرایب نام به را وروشی
كنیم خاص می بیان .
()xfbyyay ()xfpy
xexf 3()
xp ey
2
3
()xf
108
اگر( كه الف درصورتی باشد نمایی تابعآنگاه نباشد كمكی معادله نیز ریشه
نمایی تابع بصورت
وجایگذاری گیری مشتق با كه استمقدار آید.می بدست درمعادله
مثال
xAexf ()py
xp Bey
B
xeyyy 365
109
اگر معادله و حال ریشه یكبارباشد كمكی
چون گاه است آن همگن معادله جواببنابراین
بصورت را خاص جوابگیریم می درنظر
. دهیم می توضیح مثال یك با
xAexf ()xec
1x
p Bxey
xeyyy 265
110
اگر معادله و حال ریشه بار دوگاه آن باشد هایی كمكی جواب
را خاص جواب پس باشد می همگن معادله ازبصورت
گیریم می .درنظراین معادله و اگر بنابر ریشه
تكرار مرتبه از گاه كمكی آن باشد :
است همگن غیر معادله خاص .جواب
xAexf ()xx ecxec
12 ,
xp eBxy 2
xAexf ()jxj
p Bexy
111
می معادله :مثال حل راكنیم.
چون: است حل كمكی معادله ریشه بار دونتیجه بنابراین پس در
: داریم همگن غیر درمعادله جایگذاری با درنتیجه
و پس
است. جواب
xeyyy 2344 22jx
p eBxy 222 2 2
2 2 2 2 2
2 2
2 4 4 4
x x
x x x xp
y Bxe Bx e
y Be Bxe Bxe Bx e
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2 2
2 8 4 4)2 2 ( 4 3
32 3
2
x x x x x x x
x x
Be Bxe Bx e Bxe Bx e Bx e e
Be e B
x
p exy 22
2
3xxx exececy 223
22
1 2
3
عمومی معادله
112
اگر( چند ب تابعتابعی نیز خاص جواب گاه آن باشد ای جمله
. خاص، جواب اگر ولی باشد می ای جمله چندجواب باید گاه آن باشد همگن معادله جواب
در را . خاص جواب درصورتی كنیم ضربصفر كه است ای جمله چند صورت به همگن
. باشد كمكی معادله شد قبالریشه مالحظهمی یك درجه ای جمله چند كه
گاه آن باشد
. است ای جمله چند تابعی نیز
nnxAxAAxf ...() 10
jx
xxf 1()
xy p 6
1
36
11
113
و اگر :تذكرریشه
تكرار مرتبه از كمكی گاه معادله آن باشد
. است همگن غیر معادله خاص جواب
nnxAxAAxf ...() 10
0
j
(...) 10n
nj
p xBxBBxy
114
حل معادله :مثال را. كنیم می
چون : است حل كمكی معادله ریشه یكبار
بنابراین پس درنتیجه
: داریم همگن غیر درمعادله جایگذاری با
غیر پس خاص جواباست همگن
و
. است همگن غیر معادله عمومی جواب
21 xyy 0(1,0) D
1j() 2210 xBxBBxy p
5
3,1,
3
1
13
026
152
012
2
12
01
BBB
B
BB
BB
32
3
1
5
3xxxy p
3221 3
1
5
3xxxeccy x
115
اگر( نیز ج باشد
وكسینوس سینوس مثلثاتی بصورت خاص جوابباشد می
كه معادله ودرصورتی محض مختلط ریشهباشد كمكی
اگر همگن یعنی معادله جواب آنگاهبصورت
به باید حالت دراین كه است مثلثاتی
شود . ضرب
xAxAxf cossin() 21
iD
jx
116
اگر:تذكر
ازمرتبه و كمكی معادله محض مختلط ریشهآنگاه تكرار باشد
. است همگن غیر معادله خاص جواب
xAxAxf cossin() 21 j
1 2) sin cos (jpy x B x B x
117
حل معادله :مثال را. كنیم می
چون: معادله حل محض مختلط ریشهنیست كمكی
بنابراین پس : داریم همگن غیر درمعادله جایگذاری با و
غیر پس معادله خاص جوابو همگن
. است همگن غیر معادله عمومی جواب
xyy sin31
1D0jxBxBy p cossin 10
002,2
332
sin3cossincossin
1100
1010
BBBB
xxBxBxBxB
xy p sin2
3
xecxcy xx sin2
321
118
اگر تذكر: همگن غیر درمعادله گاه هر
هر ازای جواب ، به یكهمگن غیر معادله
بصورت جوابی همگن، غیر معادله آنگاه باشد،
دارد.
()...()()() 21 xfxfxfxf n
ni ,...,2,1()xyi()xfbyyay i
()...()() 21 xyxyxyy np
119
برای :تذكر توان می را ثابت روشضرایبمعادالت
كرد مرتبه استفاده همگن غیر خطی ،دراین كه
برابربا در حالت است
بودن كه كمكی معادله ریشه تكرار مرتبه ،
است.
njxnj ,...,2,1 py
j
120
معادله امثلكمكی و چون معادله ریشه نیستند
پس:
: داریم همگن غیر درمعادله جایگذاری با
xexyyy 32 4223 30
(2,1) D
2321
30 xBxBBeBy x
p
xBBeBy xp 32
30 23
33
0 29 BeBy xp
23 32
72 xxey x
p
121
روش به دیفرانسیل معادله حلسریها های
خطی دیفرانسیل معادالت حل با قبل درفصلخاص حالت درچند ثابت، ضرایب با دوم مرتبه
. با فصل دراین شدیم آشنا متغیر ضرایب بامعادالت برای حل روش موثرترین از یكی
) از ( یعنی، ، وباالتر دوم مرتبه خطی دیفرانسیل . دردرس كنیم می استفاده توانی سریهای
شده آشنا سری مفهوم با عمومی ریاضیاتدرك . رابهتر فصل این مطالب اینكه برای ایم
برسریهای مختصری مرور با را بحث كنیم،. كنیم می شروع توانی
122
توانی سریصورت به سری
درآن یا كه
و بوده ثابتی سری اعداد را است متغیرمركز به نامیم. توانی
...()...()() 02
02010 nn xxaxxaxxaa
0
0 ()n
nn xxa,...,...,,,, 2100 naaaax
x0x
123
سه از دریكی كه است ممكن توانی سری: كند صدق زیر حالت
ازای- 1 به . تنها باشد همگراهر- 2 ازای همسایگی به مطلقا دریك
برای یعنی باشد، همگرا همگراعدد وبرای باشد شعاع واگر را
. نامیم سری همگراییهر- 3 ازای . به باشد همگرا مطلقا
مقادیر همگرا مجموعه توانی سری كه را. ) نامیم ( می سری همگرایی فاصله بازه است،
0xx x0x
Rxx 0Rxx 0
Rxx
124
ازای :تذكر به سری همگرا اگرهمگرایی بازه آنگاه با باشد است برابر
بازه كردن پیدا با عمومی ریاضی دردرسشعاع كه ایم شده آشنا توانی سری همگرایی
از است عبارت همگرایی
است باال آنگاه ممكن حد
. باشد نامتناهی
Rxx 0
R
RxxRx 00
1
lim n
nn
aR
a
125
توانی :مثال سری همگرایی بازهكنید . پیدا را
چون
ازای به تنها سری ، همگرا بنابرایناست.
0
!n
nxn
01
1lim
(!1)
!lim
nn
nR
nn
0x
126
توانی :مثال سری همگرایی بازه
. كنید پیدا راچون
در یعنی حقیقی، اعداد مجموعه روی پسسری
است مهه همگرا . جا
0 !
(1)2
n
nn
n
x
2
1
(!1)
2!
2
lim lim1
n
n
nRn
n
n
n
127
توانی :مثال سری همگرایی بازه
. كنید پیدا راچون
مجموعه روی سری كه پس، هایی
است . همگرا
1
(2)1n
nxn
n
1(1()1)
(2)
2
11lim lim
nn
nn
n
nn
n
Rn
n
x12 x
128
بربازه : قضیه توانی سری كه اگرباشد، درآن همگرا است مثبت ثابت عدد یك
مانند تابعی توانی سری تعریف آنگاه راهر ازای به كه كند پیوسته می دربازه
است.می :تذكر مطرح سوال این طبیعی طور به
. است همگرا پیوسته تابع كدام به كه شودآسان كلی درحالت سوال این به دادن پاسخ
نیست.
Rxx 0R
()xf
x
129
سری اگر : قضیه یك توسط زیر صورت بهباشد، شده تعریف توانی
مشتق جمله به جمله باال سری از توان می آنگاه
كرد گیری
: یعنی گرفت انتگرال طور وهمین
كه
()xf
0
0 ()()n
nn xxaxf Rxx 0
1
10 ()()
n
nn xxnaxf
0
10 ()
1()
n
nnb
a
xxn
adxxf (,), 00 RxRxba
130
كنیم : :قضیه فرض
گاه آن
حقیقی( عدد هر ازای به داریم: الف
ب(
ج( : درآن كه
0
0 ()()n
nn xxaxf
0
0 ()()n
nn xxbxg
0
0 ()()n
nn xxcaxcf
c
0
0 (())()()n
nnn xxbaxgxf
0
0 ()()(.)n
nn xxcxgxf
n
k
n
kkknKnKnnnn bababababac
0 00110 ...
131
كه :: تذكر داد نشان توان می اندیس انتقال با
كردن كم با دیگر، اندیسجمع بعبارت از واحدكردن واضافه همه سری به های واحد
دست به مساوی سری دو سری، عالمت داخل. آید میبا -12.1.3تذكر: توانی سریهای با كردن دركار
بردن مركزبسط كار به غالبا صفر، با مخالفمتغیر تغییر : . یعنی است مفید
kn n
nkn
knn xxaxxa
000 ()()
kkn
0x0xxz
0 0
0 ()n n
nn
nn zaxxa
132
سری قضیه: كنیم فرض
تابع با برای به همگراكه شود می داده نشان بسادگی باشد،
اگر خاص آنگاه ودرحالت
0
0 ()n
nn xxa
Rxx 00R()xf
,...2,1,0,!
() 0()
nn
xfa
n
n
00 x
,...2,1,0,!
(0)()
nn
fa
n
n
133
را تعریف: سری
تی سری نقطه ر لبسط حول وسری ،را
لورن ماك می بسط صفر نقطه حولنامیم.
0
00
()
()!
()()
n
nn
xxn
xfxf
()xf0x
0
()
()!
(0)()
n
nn
xn
fxf
()xf
134
سری تعریف: اگر
هر ازای به دربازه به
گوییم می باشد درنقطه همگرا
. است تحلیلی
0
00
()
()!
()
n
nn
xxn
xf
x(,) 00 RxRx ()xf
f0x
135
توابع :مثال برخی لورن ماك سری بسط : از است عبارت
كه الف(
كه ب(
) كه ج
n
nx
n
xe
!x
x
x
0
2
(!2)
(1)cos
n
nn
n
xx
0
12
(!12)
(1)sin
n
nn
n
xx
136
كه د(
) كه ه
كه (و
1x
x
x
0
1
1n
n
xx
0
12
(!12)sinh
n
n
n
xx
0
2
(!2)cosh
n
n
n
xx
137
ومنفرد معمولی نقاط
( نقطه تعریف: عادی ( معمولی نقطه یك رامرتبه خطی دیفرانسیل معادله ام برای
ضرایب هرگاه گویم در و می
. نباشد معمولی كه را ای نقطه باشند تحلیلی. ) نامیم ( می معادله عادی غیر منفرد نقطه
0xn
()()()...() 01(1)
1() xgyxfyxfyxfy n
nn
) (if x()xg0x
138
دیفرانسیل :مثال معادله منفرد نقاط
. كنید پیدا رابر: تقسیم با را معادله بصورت حل
: یعنی كنیم می یك برابر ترین باال مشتق ضریب
درهمه معادله این ضرایب همه كه است بدیهینقاط جز به و و نقاط
. پس باشند می وهمه آنهاتحلیلی منفرد نقاط. هستند معادله معمولی نقاط دیگر نقاط
0(1)(1)(1) 23 yxyxxyxx
(1) 23 xx
0(1)
1
(1)
132
yxx
yxx
y
0x1x1x
139
توابع قضیه: از هریك اگر
جواب درنقطه یك گاه آن باشند، تحلیلیمانند فرد به در منحصر كه دارد وجود
ودر است اولیه تحلیلی شرط
. معادله جواب هر یعنی كند می دیفرانسیل صدقدرنقطه خود تیلر سری هزدربا توسط
شود می . بیان
011 ,,...,, fffg n
0x()xy0xn
10(1)
1000 (),...,(),() nn axyaxyaxy
0xI
140
معادالت سری های جوابمعمولی (دیفرانسیل نقطه (دریك
اول :مثال مرتبه دیفرانسیل با معادله راحل لورن مك سری بصورت جواب كردن پیدا
. كنیم میفرض: حل
كه
باید : چون پس
yy
0
10 .......n
nn
nn xaxaaxay
RxR ,0
1 11 2
1
2 ... ...n nn n
n
y na x a a x na x
yy
1 0
1
n n
nn
nn xaxna
141
پایین به باال از دستگاه كردن حل وباشود می كه: نتیجه
بازگشتی ویارابطه
آوریم، می دست به كه
nn aan
aa
aa
aa
aa
1
34
23
12
01
(1)
4
3
2
0 0 01 0 2 3, , ,..., ,...
2! 3! !n
a a aa a a a a
n
11 n
aa nn
!0
n
aan
142
در باال ضرایب جایگذاری با حال
داریم :
جواب كه كه كنیم دقت باشد می پارامترقبلی های روش از كه است جوابی همان باال
یعنی آید می جواب بدست. است باال جداشدنی معادله
0n
nnxay
0 0
00
!!n n
nn
n
xax
n
ay
0a
xeay 0
143
معادله :مثال های جواب تیلر بسط
معمولی درنقطه . را كنید پیدامتغیر: تغییر از سادگی برای حلمتناظر صورت دراین كنیم می استفاده
: با وداریم باشد می
تبدیل دیفرانسیل معادله ، جایگذاری با بنابراینمعادله به
هستند ای جمله چند ضرایب همه چون شود می
0(1)4(1) 2 yxyxy1x
1xt1x0t
2
2
2
2
()()dt
yd
dx
dt
dt
dy
dt
d
dt
dy
dx
d
dx
yd
dt
dy
dx
dt
dt
dy
dx
dy
0422
2
tydt
dyt
dt
yd
144
برابر معادله جواب سریهای همگرایی بازه پس ،همگرایی با بازه است،
با برابر نیز اصلی معادله جواب سریهایبصورت . را جواب توانی سری است
لورن ماك سری
: پس . گیریم می درنظر
دیفرانسیل درمعادله باال سریهای دادن قرار با : داریم ثانویه
t x
n
nn
nn tatatataay
0
2210 ......
1
1
121 ......2
n
nn
nn tnatnataa
dt
dy
2
2
222
2
(1)...(1)...2
n
nn
nn tanntanna
dt
yd
145
1 0
112
2
04(1)n n
nn
nn
n
nn tatnatann
04(3)(1)
04467
04356
04245
0434
0423
02
33
447
336
225
114
03
2
nnn aanann
aaa
aaa
aaa
aaa
aa
a
146
درنتیجه:
سوم های ستون همه شود می مالحظه چنانکهتنها صفراند بقیه جمله اولین بغیر دوم وستون
باشدوبرحسب ناصفرمی اول ستون: بنابراین است
23
4,
34
3,0 0
31
42
aa
aaa
2356
4,0,0 0
675
aaaa
235689
42,0,0 0
9108
a
aaa
2356891112
245,0,0 0
121311
a
aaa
0a
147
33333 (13)3
(73)
(13)3
(433)
nn ann
na
nn
na
03 2(...43()13)(3(...)33)3
4(1)258(...103()73)a
nnnn
nna
n
n
3
3
2 5 8 ... )3 10()3 7( ) 1( 4
3 ) ) 1() 2(.... )2 1(2 5 ... )3 4( )3 1(
) 1( 4
3 . ! )3 4()3 1(
n
n n
n
n n
n na
n n n n n
an n n
148
2 3 4 5 60 1 0 1 0
7 8 9 10 110
110
4 3 40 0
3 2 4 3 6 5 3 22 4
0 0 0 09 8 6 5 3 2
2 5 4...
12 11 9 8 6 5 3 2
y a a t t a t a t t a t
t t a t t t
a t
4 3 61 0
9 12
3
1 2 4) ( )1
4 3 6 5 3 22 4 2 5 4
...9 8 6 5 3 2 12 11 9 8 6 5 3 2
) 1( .4...
3 . !)3 4()3 1(
nn
n
y a t t a t t
t t
tn n n
149
ویا
دادن قرار داریم : با
به شده داده دیفرانسیل معادله عمومی جوابهر . ازای باشد می
((13()43)!.3
4(1)1)(
4
1)
1
30
41
n
nn
n
tnnn
attay
1xt
1
30
41 ((1)
(13()43)!.3
4(1)1)((1)
4
1(1))()
n
nn
n
xnnn
axxaxy
x
150
حسب تذکر: بر بازگشتی رابطه است ممکننباشد پذیر امکان عمومی نتوان جمله بسادگی یا
را عمومی جمله حالتی چنین در کرد پیدا. کنیم" نمی پیدا معموال
دوم مرتبه خطی دیفرانسیل معادله
آن در معادله که به است ثابتی عدد. لژاندر دیفرانسیل می مالحظه است موسوم
نقطه که معادله شود معمولی نقطه یک : بصورت جوابی دارای بنابراین است
برای حداقل که . همگراست است
2)1 ( 2 ) 1( 0x y xy p p y p
00 x
1
1
n
nnxay
1|| x
151
: داریم معادله در جایگذاری با که
: داریم اندیس تغییر با
2 1 0
122 0(1)2(1)(1)n n n
nn
nn
nn xappxnaxxannx
2 1 0
122 0(1)2(1)(1)n n n
nn
nn
nn xappxnaxxannx
00 002 0(1)2(1)(2()1)
n
nn
n n
nnnn
n
nn xappxxaxannxann
02 0(1)2(1)(1()2)
n
nnnnn xappnaannann
152
2
2 2
2 2
) 1( 2 ) 1(
) 2() 1(
2
) 2() 1(
) 2() 1(
) () 1(, 0
) 2() 1(
n n
n
n
n
n n n p pa a
n n
n n n p pa
n n
n p n pa
n n
p n n pa n
n n
: بازگشتی ورابطه
: که شود می نتیجه
153
157
046
135
024
13
02
!7
(6()4()2()5()3()1)
76
(6()5)!6
(5()3()1()4()2)
65
(5()4)!5
(4()2()3()1)
54
(4()3)!4
(3()1()1)
43
(3()2)!3
(2()1)!2
(1)
apppppp
app
a
apppppp
app
a
apppp
app
a
apppp
app
a
app
a
app
a
: داریم معادله در جایگذاری با که
154
: داریم سری در ضرایب این دادن قرار با
برای واگر كه صحیح همگراست عددپرانتز داخل سری دو هر همگرایی شعاع نباشد
. جواب در شده تعریف توابع است یک با برابرتوابع که باشد می لژاندر توابع به مشهور سری
. خاص حالت در هستند جواب متعالی. باشد متناهی است ممکن ها سری
7531
6420
40
31
2010
!7
(6()4()2()5()3()1)
!5
(4()2()3()1)
!2
(2()1)
!6
(5()3()1()4()2)
!4
(3()1()2)
!2
(1)1
!4
(3()1()2)
!3
(2()1)
!2
(1)
xpppppp
xpppp
xpp
xa
xpppppp
xpppp
xpp
ay
xapppp
xapp
xapp
xaay
1|| x
p
p
155
معادالت منفردمنظم نقاطدوم مرتبه خطی دیفرانسیل
کنیم نقطه فرض منفرد كه نقطه یكهمگن خطی دیفرانسیل معادله
بصورت باشد را معادله اگر كه درصورتی
باشند در و بنویسیم ،تحلیلینقطه نقطه منظم را واگر منفرد نامیم
نباش را نتحلیلی می نقطه د منظم غیر منفردگوییم.
0x
0()() 01 yxfyxfy
0()()()() 02
0 yxqyxpxxyxx
()(,) xpxq0x
()(,) xpxq
156
دیفرانسیل :مثال معادله منفرد نقاط نوع
. كنید پیدا رادر: معادله طرف دو تقسیم با ، حل
صورت به باال معادله
منفرد نقاط كه كنیم می مشاهده آید می دراز : است ضرب عبارت با
در باال داریم : معادله
پس
021
(1) yyx
yx
1x0
1
2
(1)
1
y
xy
xxy
0,1 xx2x
01
2
1
1 22
y
x
xy
xxyx
1
1(),
1
2()
2
x
xpx
xxq
157
در دو هر . كه پس اند یك تحلیلی . معادله طرفین اگر حال است منظم منفرد نقطه
داریم : در را كنیم ضرب
هردو ، در كه
اند تحلیلی. پس است منظم منفرد نقطه یك
0x0x2(1) x
01
(1)21(1) 2
y
xy
x
xyx
xxpxxq
1()(,1)2() 1x
1x
158
لژاندر :مثال معادله
نویسیم . می زیر صورت به را
كه است منفرد و روشن نقاط
معادله طرفین اگر كه اند در معادله راداریم : كنیم می ضرب
0(1)2(1) 2 yppyxyx
01
(1)
1
222
yx
ppy
x
xy
1x1x2(1) x
01
(1()1)
(1)
(1)2(1) 2
yx
xppy
x
xxyx
159
: آنگاه در و هردوپس اند منظم تحلیلی منفرد نقطه یك
. در را معادله طرفین اگر حال است معادلهداریم : كنیم ضرب
هردو و كه در
پس اند منفرد تحلیلی نقطه یك. است معادله منظم
(1)
(1)2()
x
xxxp
1
(1()1)()
x
xppxq1x
1x2(1) x
01
(1()1)
(1)
(1)2(1) 2
yx
xppy
x
xxyx
(1)
(1)2()
x
xxxp
1
(1()1)()
x
xppxq
1x 1x
160
خطی :مثال دیفرانسیل معادله
) بسل معادله به که مرتبه( Besselرا ازمعادله این در گیریم می نظر در است معروف
نوشتن که با باشد می صفر نا ثابت عددبصورت معادله
که شود می معادله مالحظه منفرد نقطهتوابع به توجه وبا باشد می
پس درنقطه که اند تحلیلی . است معادله ومنظم منفرد نقطه
0() 222 ypxyxyxp
p
01
2
22
yx
pxy
xy
0x
0x
22(),1() pxxqxp 0x
161
بصورت تعریف: سری
آن در است که مختلط ویا حقیقی عددیسری به
.frobeniusفروبنیوس ( است( مشهور
0 00
00
) ( ) (
) (
s nn
n
n sn
n
y x x a x x
a x x
s
162
معادله اگر تذکر: منظم منفرد نقطه یکدوم مرتبه
یک دارای معادله که شود می ثابت باشد خطیدو وگاهی
با فروبنیوس سری بصورت جواباست.
اینجا است در حقیقی عددی
. دهیم می توضیح مثال چند ارائه با را روش این
0xx
00 a
s
163
دیفرانسیل :مثال معادله
که است واضح گیریم می نظر در نقطه رافروبنیوس سری جواب است معادله منظم منفرد
بنابراین : گیریم می نظر در را
: شود می نتیجه دیفرانسیل معادله در جایگذاری با
0(12)2 2 yyxxyx
00 x
00 n
snn
n
nn
s xaxaxy
0
2
0
1 (1())()n
snn
n
snn xasnsnyxasny
0 0 0
122 0()(12)(1()(2n n n
snn
snn
snn xaxasnxxxasnsnx
164
: یا و
داریم : اندیس تغییر با
0 0 0 0
1 0()()2(1())2n n n n
snn
snn
snn
snn xaxasnxasnxasnsn
0 0 0 0
11 0()(1)2(1())2
n n n n
snn
snn
snn
snn xaxasnxasnxasnsn
s
n n
snn
snn
s xsaxasnxasnsnxass 01 1
110 (1)2(1())2(1())2
1 1
0 0()n
sn
nn
ssnn xaxaxasn
165
یا : و
که است آن بر فرض پس : چون
را آن های ریشه و شاخص معادله را معادله اینمنفرد نقطه در دیفرانسیل معادله شاخص توان
پس . نامیم های منظم توان
منظم منفرد نقطه در دیفرانسیل معادله شاخص هستند
0(1)21()(1())21(1)2 10
snnn
s xasnasnsnsnxasss
00 a
012
0122
01(1)2
2
2
ss
sss
sss
1,2
1 ss
166
مقادیر از کدام هر ازای به ضرایب حالبازگشتی : رابطه در ها
یا : و
کند . می صدق
sna
1(1)21(1())2 nn asnasnsnsn
1,1(1())2
(1)21
nasnsnsn
sna nn
1,122
2
(122()1)
(1)211
na
sna
snsn
snnn
167
اگر( که : الف دهد می نتیجه باال رابطه
1s
0
023
012
01
1
(32)975
(2)
975
(2()2()2)
9
275
(2()2)
7
25
2
1,32
2
an
a
aaa
aaa
aa
nan
a
n
n
nn
168
اگر( آنگاه : ب
با
پس :
2
1s
111
1
2
2
1(2
1)22
2
nnnn a
na
na
na 1n
01
023
012
001
!
(1)1
32
(1()1()1)
3
12
(1()1)
2
11
1
an
an
a
aaa
aaa
aaa
n
nn
169
است عبارت فروبینوس سری جواب دو نتیجه دراز :
تابع دو بازه بدلیل و درپس : هستند وهمگرا خطی مستقل
است . دیفرانسیل معادله عمومی جواب
nn
xn
xxxxy(32)75
(2)
975
(2)
75
(2)
5
21 3
32
2
1
n
n
xn
xxxxy!
(1)
!3
(1)
!2
(1)1 3
32
22
1
2
12 , yy2
1x ,0
0
2
1
20
1 !
(1)
(32)75
(2)
n
nn
n
nn
xn
xcxn
xcy
170
ریشه دارای شاخص معادله كه حالتی. است برابر های
مورد تذکر: را معادالتی خود بحث درادامهمنفرد نقطه یک دارای که دهیم می قرار بررسی
صورت. در به معادله حالت این در استآن در آید،که می در در
. کردیم،این مشاهده قبال همچنانکه هستند تحلیلیکاهد، نمی بحث کلیت از تغییر محدودیت زیرابا
منفردمنظم متغیر را نقطه. کند می تبدیل صفر به
0x0()()2 yxqyxxpyx
()(,) xpxq0x
0xxt 0x
171
کلی بررسی - حالتدوم معادله مرتبه دیفرانسیل
فرض . گیریم نظرمی در نقطه را
باشد در منفردمنظم صورت این درازای به نتیجه هستند،در : تحلیلی داریم ،
: و بصورت تابعی
0()()2 yxqyxxpyx0x
()(,) xpxqRx
n
nn xqxq
0
()n
nn xpxp
0
()
y
172
: آنگاه باشد،
معادله در باال مقادیر دادن قرار دیفرانسیل باداریم:
sn
nn
n
nn
s xaxaxxy
00
()
1
0
()()
sn
nn xsnaxy
2
0
(1())()
sn
nn xsnsnaxy
snkn
n
kk
nn
nn
n
nn
s xpaskxpxasnxxyxxp
(())(()())()()
0000
snkn
n
kk
nn
nn
n
nn
s xqaxqxaxxyxq
()(())()()
0000
173
نتیجه در
توان کوچکترین فرضضریب با کهداریم:
پس چونویا
شاخص را معادله آن های ریشه و باشد میشاخص های نقطه توان در دیفرانسیل معادله
. شود می نامیده منظم منفرد
0()(())(1())0 0000
sn
knn
n
kk
snkn
n
kk
n
snn
n
xqaxpaskxasnsn
0}]([)(1(){)00
sn
kknkn
n
kn
n
xaqpskasnsn
xn (,0) 0()(1) 0000 aqspass
00 a00(1)() qspsssf
002 (1)() qspssf
174
در تواند می زیر حالت سه شودکه می مالحظه: دهد رخ شاخص معادله مورد
اگر( وغیرصفر الف صحیح غیر عددباشد.
اگر( . ب باشد ومثبت صحیح عدداگر( . ج باشد صفر
) الف حالت دو معادله در دارای دیفرانسیلصورت به مستقل جواب
و
. شد. مالحظه مورد این در مثالهایی قبال دارد
21 ss
21 ss 21 ss
n
nn
s xaxxy
0
11()n
nn
s xbxxy
0
22()
175
) ) صورت به جواب یک فقط ج و ب حالت در
کردن. پیدا برای نشان دارد دیگر مستقل جوابصورت به جواب که شود می داده
وجایگذاری گیری مشتق با توان می که در استضرایب معادله و دیفرانسیل پیدا را ها
مقدار است ممکن باشد کردکه برابرصفرصورت این در سری که یک شکل به
. شد با می فروبینوس
n
nn
s xaxxy
0
11()
n
nn
s xcxxxAyy
0
122log()
ncAA()2 xy
176
محض،اغلب تذکر: ریاضیات و فیزیک درجواب دیفرانسیلمعادله بررسی
مستقل متغیر نظر وقتی باشد،مورد بینهایت
به. با است
متغیر تغییر بردن بزرگ کار مقادیربا
. مقادیرکوچک بود خواهند متناظر
0()()2 yxqyxxpyx
x
tx
1x
t
177
جایگذاری جای با معادله به از جوابهاییبدست را جدید دیفرانسیل
نقطه یک دارای جدید معادله اگر که آوریم میدر گوییم معمولی معادله باشد،
در معمولی نقطه یک دارای بینهایت دیفرانسیلنحو،. همین به یک است دارای جدید معادله اگر
در منظم منفرد گوییم نقطه معادله باشد،منظم منفرد نقطه یک دارای دیفرانسیل
.در است بینهایت
x t
0t
0t
178
دیفرانسیل معادالت دستگاه
دستگاه كاربردهای به توجه با فصل این درمعادالت
دیگر و مكانیك و فیزیك در دیفرانسیلبه آن كاربردهای
. پردازیم می ها دستگاه این مطالعه و بررسی
179
معادله تعریف: یك از بیش ای مجموعهمعادالت دستگاه را همزمان دیفرانسیل
. نامیم دیفرانسیلدستگاه دیفرانسیل معادالت دستگاه ترین سادهاست عبارت كه باشد می دیفرانسیل معادله دو
از:
0(,,,,,)
0(,,,,,)
2
2
2
2
m
m
n
n
dt
yd
dt
yd
dt
dyytg
dt
xd
dt
xd
dt
dxxtf
180
معادالت دستگاه ترین ساده اینكه برایرا دستگاهها نوع این كنیم بررسی را دیفرانسیل
نظر در صورت ترین ساده به شرایطی بیان با . معادالت دستگاه ترین ساده گیریم می
مرتبه دیفرانسیل معادله دو دستگاه دیفرانسیل،از است عبارت كه باشد می :اول
0(,,)
0(,,)
dt
dyytg
dt
dxxtf
181
ظاهر دومی در اولی از مضربی است ممكن كهاز دیگری صورت بنابراین بالعكس، و شود
بصورت اول مرتبه دیفرانسیل معادله دو دستگاه: است زیر
0(,,,,)
0(,,,,)
dt
dy
dt
dxyxtg
dt
dy
dt
dxyxtf
182
توانهای اگر حال
مرتبه معادله دو دستگاه آنرا باشد یك با برابر: یعنی نامیم خطی اول
xydt
dx
dt
dy,,,
()()()
()()()
654
321
tfytfxtfdt
dy
tfytfxtfdt
dx
183
اگر معادله كه دو دستگاه آنراكه صورتی در و نامیم همگن خطی اول مرتبه
مرتبه معادله دو دستگاه آنرا باشند ثابت اعداد ، . با اكنون نامیم ثابت ضرایب با همگن خطی اول
آشنا دیفرانسیل معادالت دستگاه از تعدادیبیان. آنها از برخی حل برای را روشهایی شدیم
. جواب كه باشد می تذكر به الزم كنیم میبصورت دیفرانسیل معادله دو دستگاه
. شرط كه دارد وجود ای، قضیه باشد میمی بررسی را بودن بفرد منحصر و جواب وجودفرضمی و كنیم می صرفنظر آن ذكر از كه كند
. است بفرد منحصر و دارد وجود كه كنیم
0()() 63 tftf
(),(),(),() 1245 tftftftf
) ( , ) (y y t x x t
184
معادالت دو دستگاه از برخی حل برای. كنیم می بیان را روشهایی دیفرانسیل
: r روشاول مستقال دستگاه معادالت از یكی . می توضیح مثال یك با باشد می حل قابل
دهیم.::مثال كنیم می حل را زیر دستگاه
xytdt
dy
xxtdt
dx
2
2
185
معادله اول معادله شود می مالحظه چنانكهپس است جداشدنی
انتخاب با با كه داریم: برابر
نتیجه دستگاه دوم معادله در جایگذاری با كه: شود می
dttx
dxtx
dt
dx(12)(12)
cttctt eeexcttx 222lnce1cttecx
2
1
tttt ectydt
dyecyt
dt
dy 22
11 22
186
است خطی اول مرتبه معادله نیز معادله این و پس:
پس
. باشد می دستگاه جواب
21
22 2
cdteceey tttdttdt
21
222
cdteecey tttt 2121
22
ceceycdtecey tttt
22
2
21
1
ttt
tt
ececy
ecx
187
معادله سه دستگاه برای توان می را باال روش. برد بكار نیز
حل توان می را زیر معادله سه دستگاه مثالكرد.
tyxdt
dz
txdt
dy
xdt
dx
4
23
2
188
: اول روشدوم مرتبه معادله دو دستگاه حل: ثابت ضرایب با خطی
از استفاده و دستگاه معادالت از گیری مشتق بادوم مرتبه معادله به آنرا دستگاه دوم معادله
حل با كه كنیم می تبدیل ثابت ضرایب با خطیایم شده آشنا r قبال . آن
. دهیم می توضیح مثال یك با
()
()
22
11
tgybxadt
dy
tfybxadt
dx
189
: كنیم : می حل را زیر دستگاه مثال
: داریم اول معادله از گیری مشتق با
می نتیجه دومی معادله از جایگذاری با وشود:
xydt
dy
yxdt
dx
3
3
dt
dy
dt
dx
dt
xd3
2
2
dt
dy
xydt
dx
dt
xd 33
2
2
190
: داریم اول معادله از جایگذاری yبا
xxdt
dx
dt
dx
dt
xd (3)33
2
2
0862
2
xdt
dx
dt
xd
086 xxx
191
كه است كمكی معادله دارای كهو
: . پس هستند متمایز های ریشه: داریم اول معادله در جایگذاری با حال
بنابراین
. است دستگاه جواب
0862 DD4D
2Dtt ececx 42
21
tttt ececececxdt
dxy 4
22
14
22
1 33423 tt ececy 4
22
1
tt
tt
ececy
ececx
42
21
42
21
192
به :روشسوم مشهور روش این. اپراتوریا عملگرروش باشد می
كه كنیم می فرض روش این درعملگر جایگذاری با آنگاه ،
گوسحل حذفی روش به را دستگاه . را روش این مثال یك با كنیم می
دهیم می . توضیح
Ddt
d
193
: كنیم : می حل روش به را زیر دستگاه مثال
: داریم نماد از استفاده با
D2 4 1
1
dx dyx y
dt dt
dx dyt
dt dt
Ddt
d
1
142
tDyDx
yDyxDx
194
در دوم ومعادله در اول معادله ضرب با: داریم دستگاه طرفین جمع و
با دوم مرتبه خطی دیفرانسیل معادله این: پس باشد می غیرهمگن ثابت ضرایب
1
1(4)(12)
tDyDx
yDxD
D4D
(1()4)(1)(4)(12) tDDDxDxDD4(1)4()0(42) 22 DttDxDDDD
34(33) 2 txDD
195
كردن پیدا برای و بنابراینروشضرایب به آنرا غیرهمگن خاص جواب
كنیم می حل .ثابت
پس است كمكی معادله ریشه صفر :چون
23 3 0 3 ) 1( 0 0 , 1D D D D D D t
c eccx 21px
AxAtAxtAtAx
AtAtx
ppp
p
22
()
112
1
196
: شود می نتیجه معادله در جایگذاری با
بنابراین ، پس
: داریم معادله جایگذاری با بنابراین
3433 txx pp
3
7,
3
234366 11 AAtAtAA
ttx p 3
7
3
2 2 tteccx t
3
7
3
2 221
11 tdt
dx
dt
dyt
dt
dy
dt
dx
197
می دستگاه جواب پسباشد.
13
7
3
42 ttec
dt
dy t
3
4
3
12 tec
dt
dy t
dttecdy t (3
4
3
1) 2
32
2 3
4
6
1cttecy t
32
2
221
3
4
6
1
3
7
3
2
cttecy
tteccx
t
t
198
می : مالحظه چنانكه سوم و اول روشهای تذكرمعمولی دستگاه حل از شود
. را معمولی دستگاه r مثال است شده گیری نتیجهمعادالت از یكی كه كرد حل بسادگی توان می
روشسوم و باشد می حل قابل r مستقال دستگاهدرحل كه باشد می گاوس حذفی روش همان نیز
دستگاه
. شود می استفاده
3
732
yx
x
2
732
yx
x
199
حل تذكر: برای را باال روشهایاستفاده خطی معادالت دو دستگاه
دستگاه حل برای آنرا توان می كردیمو كرد استفاده نیز خطی معادالت سه
و داد تعمیم را آن توان می همچنینمعادالت با دستگاههایی برای
استفاده نیز بیشتر خطی دیفرانسیلكرد.
200
معمولی تذكر: دستگاه در كه همانطوریمنحصر جواب دارای دستگاه است ممكن
جواب یا و جواب نهایت بی یا و بفردمعادالت دستگاه در باشند نداشته
. r مثال باشد می چنین نیز دیفرانسیلدستگاه
. باشد می جواب نهایت بی دارای
tDxDx
tDxDx
444 21
21
201
و r مثال
جوابهایی
. است دستگاه ازدلخواه به را جوابها از كدام هر درحسب بر را دستگاه و كرده انتخاب
. دستگاه ولی كنیم می حل
. نیست جواب دارای
cx
ct
x
52
2
2
1
2
2
2
1
2
1
22
2
ctt
x
ct
x
()11 txx ()22 txx
2
21
21
tDxDx
tDxDx
202
ت تذكر: معادال دستگاه كه شد مالحظه: كلی بصورت روشسوم در دیفرانسیل
: یعنی ضرایب دترمینال كه باشد می
دیفرانسیل معادالت دستگاه دترمینان رانامیم.
()()()
()()()
43
21
thyDfxDf
tgyDfxDf
()()
()()
()43
21
DfDf
DfDf
DW
203
. پذیریم می اثبات بدون را زیر قضیهجواب قضیه : در پارامتر تعداد
و عمومیتوان با برابر باال دستگاه
اینكه بر مشروط است
. باشد دستگاههایی از جوابهایی در بنابراین
توان از بیشتر پارامتر تعداد كهپارامترهای توان می ، است
دستگاه در جایگذاری با را اضافی. كرد حذف معادالت
()txx ()tyy
()DW0() DW
()DW
204
با چگونه كرد خواهیم مالحظه فصل این دریك مورد در الپالس تبدیل بردن كار به
می ، اولیه شرایط با دیفرانسیل معادلهتبدیل تری ساده مسئله به را آن توان
الپالس تبدیل وارون با كه بطوری كردهو آید می بدست ابتدائی مسئله جواب
های روش كه شد خواهد مالحظه همچنینمورد در را ثابت ضرایب و پارامتر تغییر
تابع كه همگن غیر دیفرانسیل معادالت حلبكار توان نمی باشد ناپیوسته دوم طرف
تبدیل از توان می حالت این در كه برد. كرد استفاده الپالس
205
الپالس تبدیلیعنی ، باشد می تابع یافته تعمیم مفهوم تبدیلنسبت را دیگری تابع ، تابع هر به كه ای رابطه . مشهور تبدیالت جمله از نامیم تبدیل یك دهد،
می عبارتی در مضرب و انتگرال و مشتق تبدیلمی نشان بترتیب زیر نماد با r معموال كه باشد
.دهیم1)
2)
در (3 ضرب
()(()) xFxfD
cxFdxxf ()()
()(()) xfexfM x xe
206
تابع تعریف: كنیم بربازه فرضناسره انتگرال ، باشد شده تعریف
ا مقادیر ازای به است حقیقی عدد كه راتابع الپالس تبدیل آنرا باشد همگرا ز
یعنی : دهیم می نشان نماد با و نامیم
الپالس تبدیل و تابع بین رابطه بیان برایتابع
: نویسیم می
f 0,
) (sxe f x dx
s sRAf()sF
) ( ) (sxs A F s e f x dx
Ff) ( ) () (F s L f x
207
مطالعه r بعدا را الپالس تبدیل وجود شرایط . خاص تابع چند الپالس تبدیل اینك كرد خواهیم
كنیم . می پیدا را . كنیم می پیدا را تابع الپالس تبدیل
یعنی:
: پس همگراست انتگرال ازای به
1() xf
b
sxb
b
sx
b
sx es
imdxeimdxesFL
1
()(1)
(11
) es
es
im sb
b
0s
sL
1(1)
208
می پیدا را تابع الپالس تبدیلكنیم :
پس همگراست انتگرال ازای به
xxf ()
b
sx
b
sx dxxeimxdxesFxL
()()b
sxsx
b
sxbsx
be
sxe
simdxe
sxe
sim
2
1111
es
xes
es
bes
im sbsb
b 22
1111
0s2
1()
sxL
209
می پیدا را تابع الپالس تبدیلكنیم
ازای پس به همگراست : انتگرال
nxxf ()
dxxes
n
s
exdxxexL nsx
sxnnsxn 1()
1 21 1 1) ( ) ( ) ( )1(n nn n n n n
L x L x Ls s s s s s
0s
1
!()
nn
s
nxL
210
: شود می داده نشان درتمرینات
آنگاه ، اگر
s
s
eL x 1()
211
الپالس تبدیل خواص
انتگرال توسط الپالس تبدیل اینكه به توجه باشده تعریف
می را انتگرال خواصخطی دارای الاقل است.باشد
212
كه :قضیه: دهید نشان
چون : پس اثبات باشد می ثابت عدد
ولی دارد كوتاهی اثبات خاصیت این گرچهبسیاری توان می و باشد می قوی خیلی خواص
. كرد پیدا را توابع الپالس تبدیل از
) ) ( ) (( ) ) ( ) ) ((L f x g x L f x L g x
) ) ( ) (( ) ) ( ) ((sxL f x g x e f x g x dx
(())(())()() xgLxfLdxxgedxxfe sxsx
213
(1)12()5(125)(()) 22 LxLxLxfL
ssss
1210112
!25
33
()3()3(33)(()) 22 xLeLxeLxgL xx
22
3
2
313
2
13
ssss
:مثال
214
عبارت تابع الپالس تبدیل حالاز است
طرفی از و
: داریم تساویها اول طرف دو تساوی بنابر
xiexf ()
222222
11()
si
s
s
s
is
is
is
isiseL xi
()sin()cos(sin)cos() xiLxLxixLeL xi
22()cos
s
sxL22
()sin
s
xL
215
مثال:
شرط با
) ) (( )sinh ( ) (2
x xe eL f x L x L
2222
()2
1(
11)
2
1()()
2
1
ss
ss
sseLeL xx
) ) (( )cosh ( ) ( ) ) ( ) ((2
x xxe e
L g x L x L L e L e
2222()
2
1(
11)
2
1
s
s
s
ss
sss
216
الپالس تبدیل ز ا خاصیت دومین عنوان به.انتقال خاصیت باشد میكنید : قضیه آنگاه فرض
اثبات:
چون
(())() xfLsF
()(()) sFxfeL x
dxxfeexfeL xsxx ()(())
()()()
sFdxxfe xs
dxxfesF sx ()()
217
مثال: الف(
ب(
ج(
25(7)
5(5sin)
27
s
xeL x
16(3)
3(4cos)
23
s
sxeL x
652
(2)
!5()
sxeL x
218
الپالس تبدیل از خاصیت سومین عنوان بهباشد .مضربخاصیت میآنگاه :قضیه كنید فرض
:اثبات
(())() xfLsF
()(()) sFds
dxxfL
dxxfes
dxxfeds
dsF
ds
d sxsx ()()()
) ( ) ( ) ) (( ) ) ((sx sxx e f x dx e xf x dx L xf x
219
:نتیجه :اثبات
كه شود می نتیجه استقراء به
()(1)(())2
22 sFds
dxfxL
(())(1)(())(()) 2 xxfLds
dxxfxLxfxL
()(1)(())(1)2
2
sFds
dxfL
ds
d
ds
d n
(())(1)(()) xfLds
dxfxL
n
nnn
220
مثال:الف (
ب (
ج (
22222 (1)
2
(1)
2(
1
1)(sin)
s
s
s
s
sds
dxxL
22
2
22
22
2 (1)
1
(1)
21(
1)(cos)
s
s
s
ss
s
s
ds
dxxL
42
24
42
2222
222
(1)
246
(1)
(1)8(1)2(
(1)
2)(sin)
s
ss
s
sss
s
s
ds
dxxL
221
دیفرانسیل معادله آنجائیكه ازیعنی از ازتركیباتی
مشتقات و یعنی ومشتقاست شده تشكیل باال مراتبتبدیل قسمت این در بنابراین
می بررسی را مشتق الپالسكنیم .
x()xfy
222
دهید :قضیه نشان
چون: اثبات
: داریم جز به جز روشی از استفاده با
و و
پس
آنگاه : اگر
(0)()() yysLyL
dxyeimdxyeyLb
sx
b
sx
()
ue sx dvdxy dudxse sx vy
()() ydxSeyeimyLb
sxbsx
b
((0)()) ydxeseyebyimb
sxsb
b
0s(0)()()(0)() yysLysLyyL
223
. :نتیجه دهید نشان
اثبات:
: كه شود می نتیجه استقراء به
(0)(0)()() 2 ysyyLsyL
(0)((0)())(0)()(())() yyysLsyysLyLyL
(0)(0)()2 ysyyLs
(0)(0)(0)(0)()() (1)(2)21() nnnnnn ysyysysyLsyL
224
الپالس تبدیل معكوسوجود تابع الپالس تبدیل كنیم فرض
. تابع كه است واضح صورت این در باشد داشتهكه دارد وجود مانند بفردی منحصر
. گیریم می نظر در را حالت این عكس اینك . باشد شده داده مانند تابعی كنید فرض
به دارد وجود مانند بفردی منحصر تابع آیاباشیم : داشته كه ای گونه
: نویسیم می باشد مثبت سؤال پاسخ اگر
تابع الپالس تبدیل معكوس یا وارون را. نامیم
()xf()sF
(())() xfLsF
()sF()xf
(())() xfLsF
(())() 1 sFLxf ()xf()sF
225
معكوس خواص برخی اینكمی بررسی را الپالس تبدیل
كنیم.
دهید :قضیه :نشان
. شود: مالحظه قبلی قضیه اثبات
1 1 1) ) ( ) (( ) ) (( ) ) ((L F s G s L F s L G s
226
مثال:الف(
ب(
ج(
515(1
)5(5
) 11
sL
sL
xxs
Ls
Lss
L 2sin32(4
2)3(
!2)2(
4
64) 2
21
31
231
xes
Ls
L 311 2((3)
1)2(
3
2)
227
(د
(هـ
(1
11)(
(1)
1)(
1) 11
21
ssL
ssL
ssL
xes
Ls
L
1((1)
1)(
1) 11
(1
11)(
(1)
1)(
1)
221
221
241
ssL
ssL
ssL
xxs
Ls
L sin((1
1)(
1)
21
21
228
تبدیل خواصمعكوس الپالس
:قضیه دهید: نشان
. شود مالحظه قبلی قضیه اثبات
()(())1 xfesFL x
229
:مثال
الف(
ب(
xes
Lss
L x sin(1(2)
1)(
54
1) 2
221
21
xes
Ls
L x 3sin2(3(2)
3)2(
9(2)
6) 2
2211
230
مثال :بقیه (ج
(د
334
14
1 2((3)
!3)2(
(3)
12) xe
sL
sL x
(2(1)
2)(
2(1)
1)(
2(1)
21)(
52
3)
221
221
221
21
sL
s
sL
s
sL
ss
sL
xexe xx 2sin2cos
231
الپالس بروش دیفرانسیل معادله حلچگونه كه دهیم نشان هستیم آماده اینكاولیه مقدار با مسئله یك جواب توان می
به ، الپالس تبدیالت كمك به را دشوارتبدیل تر ساده شرایط با دیگری مسئله
تبدیل وارون از استفاده با سپس و كردهبدست را دیفرانسیل معادله جواب الپالس
معادله. مورد در ساده مثال یك با آورد. دهیم می توضیح اول مرتبه دیفرانسیل
232
شرط : با را معادله مثالكنیم : می حل
می: اثر معادله روی را الپالس تبدیل ابتدا حلدهیم :
xeyy 1(0) y
()()()()() xx eLyLyLeLyyL
()()(0)() xeLyLyySL
1
1()1()
s
yLySL
11
111
1
1()(1)
s
s
s
s
syLs
233
: كنیم می محاسبه را الپالس تبدیل وارون حال
(1()1)()
ss
syL
(1
2
1
12
1
)((1()1)
) 11
ssL
ss
sLy
(1
1)
2
1(
1
1)
2
1 11
sL
sLy
1 1cosh
2 2x xy e e x
234
شرط : با را معادله مثال. كنیم می حل
می : اثر معادله روی را الپالس تبدیل ابتدا حلدهیم:
xeyy 22(0) y
()()2()()(2) xx eLyLyLeLyyL
()()2(0)() xeLyLyySL
(2()1)
32()
1
322
1
1()(2)
ss
syL
s
s
syLs
235
می محاسبه را الپالس تبدیل وارون حال)كنیم:
(2()1)
32)1
ss
sLy
(2
1
1
1)1
ssLy
xx eeys
Ls
Ly 211 (2
1)(
1
1)
236
معادله : جواب است مطلوب مثالو شرایط با
: حل
xyy 44 1(0) y)0( 5y
()4()4()(4)(4) xLyLyLxLyyL
()4()4(0)(0)()2 xLyLysyyLs 3 2
22 2
4 4 5) 4( ) ( 5
s ss L y s
s s
237
((4)
45)
(4)
45()
22
231
22
23
ss
ssLy
ss
ssyL
(4
4
4
1)(
4
41)
2221
221
ss
s
sL
s
s
sLy
(4
2)2(
4)(
1)
21
21
21
sL
s
sL
sLy
238
توابع برخی الپالس تبدیلدیگر توابع برخی الپالس تبدیل به آنکه از قبلباید تابع که را شرایطی است خوب بپردازیم
باشد، داشته الپالس تبدیل تا باشد دارا . تضمین برای دهیم قرار توجه مورد دقیفترکنیم فرض است کافی الپالس، تبدیل وجود
به قطعه الاقل یا و پیوسته که . اخیر عبارت از مقصود است پیوسته قطعه
تابع که است آنمتناهی فاصله هر در
متناهی تعدادی در احتماآل مگر است، پیوستهاست جهشی پیوستگی نا دارای که ، نقطه
()xfbx 0
239
راست و چپ های حد نقاط آن در تابع یعنی . دارد متفاوتی
در تابع مثآل نیست الزم شرط ایناست بینهایت نوع از پیوستگی نا یک دارای
این با نیست، پیوسته قطعه به قطعه این وبنابرتا از انتگرالش وجود
بزرگ های برای که آنجا از و دارد وجودوجود آن الپالس تبدیل هست، نیز کراندار
برای،. واقع، در دارد: داریم
2
1
()
xxf0x
0b
0sdxxexL sx 2
1
0
2
1
()
240
دهد می نتیجه متغیر تغییر و
دهد می بدست متغیر تغییر یک
نشان انتگرال و دیفرانسیل درسحساب درکه شود می داده
: داریم لذا است، با برابر اخیر انتگرال
tsx dttesxL t 2
1
0
2
1
2
1
()
2st dsesxL s
0
2
1
2
12
2()
2
sxL
() 2
1
241
تابع تعریف:
و نامیم واحد ای پله تابع را باشد می که
: کنیم می پیدا را آن الپالس تبدیل
شرط با
cx
cxxuc 1
00()
0c
dxedxedxedxxuexuLb
c
sx
bc
sxc sxc
sxc
lim1.0.().(())00
0s
s
ees
es
es
cscssb
b
bc
sx
b
(
11)lim(
1)lim
242
واحد: ای پله توابع برحسب را زیر تابع مثالنویسیم؟ می
حل:
34
323
212
101
00
()
()
()
()
0()
()
xxxf
xxxxf
xxxxf
xxxxf
xxxf
xf
()(])()[()(])()[
()(])()[()(])()[()()
32
10
3423
12010
xuxfxfxuxfxf
xuxfxfxuxfxfxfxf
xx
xx
243
تابع مثال:
نویسیم؟ می واحد ای پله تابع بصورت را
5
545
40
()2 xx
x
xx
xf
()(5)()(5)() 52
4 xuxxuxxxf
244
برای تذکر: توان می واحد ای پله تابع ازتعریف دامنه که ، شده داده تابع انتقال
اندازه به آن . مثال برای کرد استفاده راست جهت در واحد
توسط شده تعریف تابع
اندازه به تابع از انتقالی واحد نمایش
مثبت جهت باشد در . می
f0xc
cxcxf
cxcxfxuy c ()
00()()
xc
245
: قضیه: دهید نشاناثبات:
: داریم متغیر تغییر با
0()(()()) ssFecxfxuL xcc
dxcxfedxcxfxuecxfxuLc
sxc
sxc ()()()(()())
0
cxu
0()()
()(()())
0
0
()
ssFeduufee
duufecxfxuL
cssucs
cusc
246
تابع: الپالس تبدیل مثال
. کنیم می پیدا رارا: تابع قبل مثال از استفاده با حلبه ای پله تابع حسب بر توان می
صورت . نوشت
پس چون
الپالس تبدیل های فرمول و خواص بنابر
2cossin
20sin()
xxx
xxxf
f()2 xu
xxuxxf cos()sin() 2(2cos)cos xt
(2cos)()sin() 2 xxuxxf
01
1
11
1()
2
2
22
2
ss
se
s
se
ssF
ss
247
و اگرقضیه:ازای به دو آنگاه هر باشد موجود
آن در که
است و کنولوسیون به تابع معروفبا را وآن
دهیم می . نشان
(())() xfLsF (())() xgLsG 0s
(())()()() xhLsGsFxH
x
duuguxfxh0
()()()
hfg
gfh
248
که دهیم می نشانزیرا
متغیر تغییر بردن بکار بازیر صورت به توان می را باال انتگرال
نوشت:
()() xfgxgf
x
duuguxfxgf0
()()()
vux
()
()()
(())()()
0
0
xfg
dvvfvxg
dvvxgvfxgf
x
x
249
بردن: بکار با تابع مثال معکوس تبدیل کنولوسیون
کنیم؟ می پیدا را
تبدیل: و فرض با حلالپالس
: داریم و
: داریم جز جزبه روش بردن بکار با
()()
222 ass
asH
2
1()
ssF 22
()as
asG
2
1()
sxL
22()sin
as
aaxL
x
auduuxxgfxh0
sin()()()
2
sin()
a
axaxxh
250
کسرهای تذکر: بردن بکار با توان می را باال مثالکرد : محاسبه زیر بصورت جزیی
این بنابر
()1
()2222 as
a
s
a
asH
(sin)1
()2
axaxa
xh
251
مثبت قضیه: عدد یک اگر که دهید نشانآنگاه باشد
اثبات:
به باال انتگرال متغیر تغییر بردن کار به باصورت
c()
1(())
c
sF
ccxfL
0()(()) dxcxfecxfL sx
ucx
casac
s
c
sFc
duufec
duc
ufecxfL
uc
s
uc
s
,()1
()1
1()(())
0
0
252
پایان
باشید موفق