Ојлерова диференцијална једначина

  Pdx+Qdy=0ако је  ∂P∂y=∂Q∂xтада дату једначину можемо записати у облику      dF(x,y)=0односно  ∂F∂x⏟Pdx+∂F∂y⏟Qdy=0где је  F(x,y)=C\begin{array}{l} {\text{ }} {\text{ }} Pdx + Qdy = 0 \\ {\text{ако је }} {\text{ }}\frac{{\partial P}}{{\partial y}} = \frac{{\partial Q}}{{\partial x}} \\ {\text{тада дату једначину можемо записати у облику}} \\ {\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }} dF\left( {x,y} \right) = 0 \\ односно{\text{ }} {\text{ }} \underbrace {\frac{{\partial F}}{{\partial x}}}_Pdx + \underbrace {\frac{{\partial F}}{{\partial y}}}_Qdy = 0 \\ {\text{где је }} {\text{ }} F\left( {x,y} \right) = C \\ \end{array}

Задаци


1. Реши диференцијалну једначину x2y"+2xy′−2y=2x2+3ln⁡x+2{x^2}y" + 2xy' - 2y = 2{x^2} + 3\ln x + 2.

Препознајемо да је дата диференцијална једначина Ојлерова, па уводимо смену:

x=et   ⇒   t=ln⁡xx = {e^t}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }} \Rightarrow {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }} t = \ln x

dx=etdtdx = {e^t}dt

dtdx=e−t\frac{{dt}}{{dx}} = {e^{ - t}}

y′=dydx=dydt⋅dtdx=y˙⋅e−ty' = \frac{{dy}}{{dx}} = \frac{{dy}}{{dt}} \cdot \frac{{dt}}{{dx}} = \dot y \cdot {e^{ - t}}

y"=dy′dx=dy′dt⋅dtdx=ddt(y˙⋅e−t)⋅e−t=y" = \frac{{dy'}}{{dx}} = \frac{{dy'}}{{dt}} \cdot \frac{{dt}}{{dx}} = \frac{d}{{dt}}\left( {\dot y \cdot {e^{ - t}}} \right) \cdot {e^{ - t}} =

     =(y¨e−t+y˙(−e−t))⋅e−t=(y¨−y˙)⋅e−2t{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} = \left( {\ddot y{e^{ - t}} + \dot y\left( { - {e^{ - t}}} \right)} \right) \cdot {e^{ - t}} = \left( {\ddot y - \dot y} \right) \cdot {e^{ - 2t}}

Уврштавајући у полазну једначину добијамо

(y¨e−t+y˙(−e−t))⋅e−t=(y¨−y˙)⋅e−2t\left( {\ddot y{e^{ - t}} + \dot y\left( { - {e^{ - t}}} \right)} \right) \cdot {e^{ - t}} = \left( {\ddot y - \dot y} \right) \cdot {e^{ - 2t}}

e2t(y¨−y˙)⋅e−2t+2ety˙⋅e−t−2y=2e2t+3t+2{e^{2t}}\left( {\ddot y - \dot y} \right) \cdot {e^{ - 2t}} + 2{e^t}\dot y \cdot {e^{ - t}} - 2y = 2{e^{2t}} + 3t + 2

y¨−y˙+2y˙−2y=2e2t+3t+2\ddot y - \dot y + 2\dot y - 2y = 2{e^{2t}} + 3t + 2

y¨+y˙−2y=2e2t+3t+2\ddot y + \dot y - 2y = 2{e^{2t}} + 3t + 2

Овим смо нашу диференцијалну једначину свели на диференцијалну једначину са константним коефицијентима, коју даље лако решавамо.

Најпре решавамо хомогени део:

k2+k−2=0{k^2} + k - 2 = 0

k1=−2  ∧  k2=1{k_1} = - 2{\text{ }}{\text{ }} \wedge {\text{ }}{\text{ }} {k_2} = 1

yh=C1e−2t+C2et{y_h} = {C_1}{e^{ - 2t}} + {C_2}{e^t}

Враћајући смену t=ln⁡xt = \ln x добијамо да је решење хомогеног дела

yh=C1x2+C2x{y_h} = \frac{{{C_1}}}{{{x^2}}} + {C_2}x

f1(x)=2e2t{f_1}\left( x \right) = 2{e^{2t}}

a=2b=0}⇒ a±bi=2  ⇒  r=0\left. \begin{aligned}&a = 2 \\ &b = 0\end{aligned} \right\} \Rightarrow {\text{ }}a \pm bi = 2{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\text{ }} {\text{ }}r = 0

n=0m=0}⇒  N=0\left. \begin{aligned}&n = 0 \\ &m = 0\end{aligned} \right\} \Rightarrow {\text{ }} {\text{ }}N = 0

yp1=t0e2t(Acos⁡0t+Bsin⁡0t){y_{{p_1}}} = {t^0}{e^{2t}}\left( {A\cos 0t + B\sin 0t} \right)

yp1=Ae2t{y_{{p_1}}} = A{e^{2t}}

y˙p1=2Ae2t{{\dot y}_{{p_1}}} = 2A{e^{2t}}

y¨p1=4Ae2t{{\ddot y}_{{p_1}}} = 4A{e^{2t}}

Уврштавајући у полазну једначину

4Ae2t+2Ae2t−2Ae2t=2e2t4A{e^{2t}} + 2A{e^{2t}} - 2A{e^{2t}} = 2{e^{2t}}

4Ae2t=2e2t  ⇒  A=124A{e^{2t}} = 2{e^{2t}} {\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\text{ }} {\text{ }}A = \frac{1}{2}

yp1=12e2t{y_{{p_1}}} = \frac{1}{2}{e^{2t}}

Коначно, када вратимо смену добијамо

yp1=12x2{y_{{p_1}}} = \frac{1}{2}{x^2}

f2(x)=3t+2{f_2}\left( x \right) = 3t + 2

a=0b=0}⇒ a±bi=0  ⇒  r=0\left. \begin{aligned}&a = 0 \\ &b = 0\end{aligned} \right\} \Rightarrow {\text{ }}a \pm bi = 0 {\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\text{ }} {\text{ }}r = 0

n=1m=0}⇒  N=1\left. \begin{aligned}&n = 1 \\ &m = 0\end{aligned} \right\} \Rightarrow {\text{ }} {\text{ }}N = 1

yp2=t0e0t((At+B)cos⁡0t+(Ct+D)sin⁡0t){y_{{p_2}}} = {t^0}{e^{0t}}\left( {\left( {At + B} \right)\cos 0t + \left( {Ct + D} \right)\sin 0t} \right)

yp2=At+B{y_{{p_2}}} = At + B

y˙p2=A{{\dot y}_{{p_2}}} = A

y¨p2=0{{\ddot y}_{{p_2}}} = 0

0+A−2(At+B)=3t+20 + A - 2\left( {At + B} \right) = 3t + 2

A=−32  ∧  B=−74A = - \frac{3}{2} {\text{ }}{\text{ }} \wedge {\text{ }} {\text{ }} B = - \frac{7}{4}

yp2=−32t−74{y_{{p_2}}} = - \frac{3}{2}t - \frac{7}{4}

yp2=−32ln⁡x−74{y_{{p_2}}} = - \frac{3}{2}\ln x - \frac{7}{4}

Коначно решење наше полазне једначине је

Y=yh+yp1+yp2Y = {y_h} + {y_{{p_1}}} + {y_{{p_2}}}

Y=C1x2+C2x+12x2+−32ln⁡x−74Y = \frac{{{C_1}}}{{{x^2}}} + {C_2}x + \frac{1}{2}{x^2} + - \frac{3}{2}\ln x - \frac{7}{4}


2. Реши диференцијалну једначину

(2+3x)2y+3(2+3x)y′−4y=2+3x32+3ln⁡(2+3x){\left( {2 + 3x} \right)^2}y + 3\left( {2 + 3x} \right)y' - 4y = {\sqrt[3]{2 + 3x} ^2} + 3\ln \left( {2 + 3x} \right).

(2+3x)=et   ⇒   t=ln⁡(2+3x)\left( {2 + 3x} \right) = {e^t}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }} \Rightarrow {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }} t = \ln \left( {2 + 3x} \right)

3dx=etdt3dx = {e^t}dt

dtdx=3et=3e−t{{dt} \over {dx}} = {3 \over {{e^t}}} = 3{e^{ - t}}

y′=dydx=dydt⋅dtdx=3y˙⋅e−ty' = \frac{{dy}}{{dx}} = \frac{{dy}}{{dt}} \cdot \frac{{dt}}{{dx}} =3 \dot y \cdot {e^{ - t}}

y"=dy′dx=dy′dt⋅dtdx=ddt(3y˙⋅e−t)⋅3e−t=y" = \frac{{dy'}}{{dx}} = \frac{{dy'}}{{dt}} \cdot \frac{{dt}}{{dx}} = \frac{d}{{dt}}\left( {3 \dot y \cdot {e^{ - t}}} \right) \cdot 3{e^{ - t}} =

     =(3y¨e−t+3y˙(−e−t))⋅e−t=9e−2t⋅(y¨−y˙){\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} = \left( {3 \ddot y{e^{ - t}} +3 \dot y\left( { - {e^{ - t}}} \right)} \right) \cdot {e^{ - t}} =9{e^{ - 2t}} \cdot \left( {\ddot y - \dot y} \right)

Уврштавајући у полазну једначину добијамо

e2t⋅9e−2t(y¨−y˙)+3et⋅3e−ty˙−4y=e2t3+3ln⁡et{e^{2t}} \cdot 9{e^{ - 2t}}\left( {\ddot y - \dot y} \right) + 3{e^t} \cdot 3{e^{ - t}}\dot y - 4y = \sqrt[3]{{e^{2t}}} + 3\ln {e^t}

9y¨−9y˙+9y˙−4y=e23t+3t9\ddot y - 9\dot y + 9\dot y - 4y = {e^{{2 \over 3}t}} + 3t

9y¨−4y=e23t+3t9\ddot y - 4y = {e^{{2 \over 3}t}} + 3t

9y¨−4y=09\ddot y - 4y = 0

9k2−4=09{k^2} - 4 = 0

k12=±23{k_{{\tfrac{1}{2}}}} = \pm {2 \over 3}

yh=C1e23t+C2e−23t{y_h} = {C_1}{e^{{2 \over 3}t}} + {C_2}{e^{ - {2 \over 3}t}}

f1(x)=e23t{f_1}\left( x \right) = {e^{{2 \over 3}t}}

a=23b=0}⇒ a±bi=23  ⇒  r=1\left. \begin{aligned}&a = {2 \over 3} \\ &b = 0\end{aligned} \right\} \Rightarrow {\text{ }}a \pm bi = {2 \over 3}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\text{ }} {\text{ }}r = 1

n=0m=0}⇒  N=0\left. \begin{aligned}&n = 0 \\ &m = 0\end{aligned} \right\} \Rightarrow {\text{ }} {\text{ }}N = 0

yp1=t1e23t(Acos⁡0t+Bsin⁡0t){y_{{p_1}}} = {t^1}{e^{{2 \over 3}t}}\left( {A\cos 0t + B\sin 0t} \right)

yp1=Ate23t{y_{{p_1}}} = At{e^{{2 \over 3}t}}

y˙p1=Ae23t+At23e23t=e23t(A+23At){{\dot y}_{{p_1}}} = A{e^{{2 \over 3}t}} + At{2 \over 3}{e^{{2 \over 3}t}} = {e^{{2 \over 3}t}}\left( {A + {2 \over 3}At} \right)

y¨p1=23e23t(A+23At)+e23t23A=e23t(43A+49At){{\ddot y}_{{p_1}}} = {2 \over 3}{e^{{2 \over 3}t}}\left( {A + {2 \over 3}At} \right) + {e^{{2 \over 3}t}}{2 \over 3}A = {e^{{2 \over 3}t}}\left( {{4 \over 3}A + {4 \over 9}At} \right)

9e23t(43A+49At)−4Ate23t=e23t9{e^{{2 \over 3}t}}\left( {{4 \over 3}A + {4 \over 9}At} \right) - 4At{e^{{2 \over 3}t}} = {e^{{2 \over 3}t}}

A=112A = {1 \over {12}}

yp1=112te23t{y_{{p_1}}} = {1 \over {12}}t{e^{{2 \over 3}t}}

f2(x)=3t{f_2}\left( x \right) = 3t

a=0b=0}⇒ a±bi=0  ⇒  r=0\left. \begin{aligned}&a = 0 \\ &b = 0\end{aligned} \right\} \Rightarrow {\text{ }}a \pm bi = 0 {\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\text{ }} {\text{ }}r = 0

n=1m=0}⇒  N=1\left. \begin{aligned}&n = 1 \\ &m = 0\end{aligned} \right\} \Rightarrow {\text{ }} {\text{ }}N = 1

yp2=t0e0t((At+B)cos⁡0t+(Ct+D)sin⁡0t){y_{{p_2}}} = {t^0}{e^{0t}}\left( {\left( {At + B} \right)\cos 0t + \left( {Ct + D} \right)\sin 0t} \right)

yp2=At+B{y_{{p_2}}} = At + B

y˙p2=A{{\dot y}_{{p_2}}} = A

y¨p2=0{{\ddot y}_{{p_2}}} = 0

9⋅0−4(At+B)=3t9 \cdot 0 - 4\left( {At + B} \right) = 3t

A=−34  ∧  B=0A = - \frac{3}{4} {\text{ }}{\text{ }} \wedge {\text{ }} {\text{ }} B = 0

yp1=−34t{y_{{p_1}}} = - {3 \over 4}t

Y=yh+yp1+yp2Y = {y_h} + {y_{{p_1}}} + {y_{{p_2}}}

Y=C1e23t+C2e−23t+112te23t−34tY = {C_1}{e^{{2 \over 3}t}} + {C_2}{e^{ - {2 \over 3}t}} + {1 \over {12}}t{e^{{2 \over 3}t}} - {3 \over 4}t

Y=C12+3x32+C22+3x32+2+3x3212ln⁡(2+3x)−34ln⁡(2+3x)Y = {C_1}{\sqrt[3]{2 + 3x} ^2} + {{{C_2}} \over {{{\sqrt[3]{2 + 3x} }^2}}} + {{{{\sqrt[3]{2 + 3x} }^2}} \over {12}}\ln \left( {2 + 3x} \right) - {3 \over 4}\ln \left( {2 + 3x} \right)

Ојлерова једначина има облик x2y′′+axy′+by=f(x)x^2y'' + axy' + by = f(x): уз сваки извод стоји степен од xx једнак реду извода. Смена x=etx = e^t, t=ln⁡xt = \ln x, своди је на једначину са константним коефицијентима, јер је xy′=y˙xy' = \dot y и x2y′′=y¨−y˙x^2y'' = \ddot y - \dot y, где тачка означава извод по tt. Добијате y¨+(a−1)y˙+by=f(et)\ddot y + (a - 1)\dot y + by = f(e^t), коју решавате карактеристичном једначином и, ако треба, методом неодређених коефицијената.

На крају вратите t=ln⁡xt = \ln x: ekt=xke^{kt} = x^k, а tekt=xkln⁡xte^{kt} = x^k\ln x, па за f(x)=0f(x) = 0 и различите корене решење гласи y=C1xk1+C2xk2y = C_1x^{k_1} + C_2x^{k_2}. За облик (αx+β)2y′′+…(\alpha x + \beta)^2y'' + \ldots смена је αx+β=et\alpha x + \beta = e^t, па први извод добија фактор α\alpha, а други α2\alpha^2. Честа грешка је x2y′′=y¨x^2y'' = \ddot y: заборави се члан −y˙-\dot y.

246810121420406080r (cm)T (°C)површина цевиОјлерово решењелинеарно
10 cm
7,5 cm
Температура T(r)
54,9°C
Да опада линеарно
60°C
Решење T=C1+C2ln⁡rT = C_1 + C_2\ln r опада као логаритам, не линеарно: близу цеви, где је обим мањи, пад је најстрмији. За изолацију до 10 cm температура 60 ∘C60\,^\circ\mathrm{C} је на r=52≈7,07r = 5\sqrt{2} \approx 7{,}07 cm.

Ојлерове једначине настају у задацима са кружном симетријом: из њих инжењери рачунају расподелу температуре у изолацији цеви и напоне у дебелозидим цевима и посудама под притиском.

Изолација топловода

Цев топловода у подруму зграде има спољашњи полупречник 5 cm, а око ње је изолација до полупречника 10 cm. Површина цеви је на 90 ∘C90\,^\circ\mathrm{C}, а спољашња површина изолације на 30 ∘C30\,^\circ\mathrm{C}. У стационарном стању, ако цев посматрамо као дугачку, а изолацију као хомогену, температура T(r)T(r) у изолацији, на растојању rr од осе цеви, задовољава r2T′′+rT′=0r^2T'' + rT' = 0. На ком растојању од осе изолација има 60 ∘C60\,^\circ\mathrm{C}?

Решење

  1. Уз T′′T'' стоји r2r^2, а уз T′T' стоји rr, па је једначина Ојлерова. Смена r=etr = e^t даје rT′=T˙rT' = \dot T и r2T′′=T¨−T˙r^2T'' = \ddot T - \dot T.
  2. Уврштавањем: T¨−T˙+T˙=0\ddot T - \dot T + \dot T = 0, тј. T¨=0\ddot T = 0. Карактеристична једначина k2=0k^2 = 0 има двоструки корен k=0k = 0, па је T=C1+C2t=C1+C2ln⁡rT = C_1 + C_2t = C_1 + C_2\ln r.
  3. Из T(5)=90T(5) = 90 и T(10)=30T(10) = 30 одузимањем следи C2(ln⁡10−ln⁡5)=−60C_2(\ln 10 - \ln 5) = -60, па је C2=−60ln⁡2≈−86,56C_2 = -\frac{60}{\ln 2} \approx -86{,}56 и T=90−60⋅ln⁡r5ln⁡2T = 90 - 60 \cdot \frac{\ln\frac{r}{5}}{\ln 2}.
  4. T=60T = 60 кад је ln⁡r5ln⁡2=12\frac{\ln\frac{r}{5}}{\ln 2} = \frac{1}{2}, тј. r5=2\frac{r}{5} = \sqrt{2} и r=52≈7,07r = 5\sqrt{2} \approx 7{,}07 cm.
  5. Поређења ради, на средини изолације, r=7,5r = 7{,}5 cm, је T=90−60⋅ln⁡1,5ln⁡2≈54,9 ∘CT = 90 - 60 \cdot \frac{\ln 1{,}5}{\ln 2} \approx 54{,}9\,^\circ\mathrm{C}, а не 60 ∘C60\,^\circ\mathrm{C}: температура не опада линеарно.

Одговор: Изолација има 60 ∘C60\,^\circ\mathrm{C} на 52≈7,075\sqrt{2} \approx 7{,}07 cm од осе цеви, тј. око 2,07 cm од површине цеви.

Задатак за вежбу

Одредите опште решење једначине x2y′′+xy′−y=3x2x^2y'' + xy' - y = 3x^2, x>0x > 0.

Прикажи решење

Смена x=etx = e^t даје y¨−y=3e2t\ddot y - y = 3e^{2t}. Корени k=±1k = \pm 1 дају yh=C1et+C2e−ty_h = C_1e^t + C_2e^{-t}, а yp=Ae2ty_p = Ae^{2t} даје 4A−A=34A - A = 3, тј. A=1A = 1. Решење је y=C1x+C2x+x2y = C_1x + \frac{C_2}{x} + x^2.