moadelat-difransiel

37
[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com ١ دﯾﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻻت ﺟﺰوﻩ ﻣﺪرس: اﺳﻤﺎﻋﻴﻠﯽ ﺗﻤﺎس ﺷﻤﺎرﻩ: ٠٩١۴٩٢٣٨٨٢۶ [email protected] ﮐﻨﻨﺪﻩ ﺗﻬﻴﻪ: اﮐﺮﻣﯽ ﺑﻬﺮوز[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com ﻣﻨﺎﺑﻊ: ﻧﻮر ﭘﻴﺎم داﻧﺸﮕﺎﻩ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻻت ﻧﻴﻜﻮآﺎر ﻣﺴﻌﻮد دآﺘﺮ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻻت درس ﭘﺎﻳﺎﻧﻲ ﻧﻤﺮﻩ: ﺗﺮم ﭘﺎﻳﺎن ﻧﻤﺮﻩ) ١٠ ﻧﻤﺮﻩ( ﺗﺮم ﻣﻴﺎن ﻧﻤﺮﻩ) ۵ ﻧﻤﺮﻩ( آﻼﺳﻲ ﻓﻌﺎﻟﻴﺖ و ﺗﻤﺮﻳﻨﺎت ﺣﻞ) ۵ ﻧﻤﺮﻩ( } ﺑﻪ ﺗﻤﺮﻳﻨﺎت ﻣﻲ اراﺋﻪ ﺟﻠﺴﻪ هﺮ در ﻣﺘﻨﺎوب ﺻﻮرت داﻧﺸﺠﻮ آﻪ ﺷﻮد دارد ﺗﺤﻮﻳﻞ ﻣﻬﻠﺖ ﺁﻳﻨﺪﻩ ﺟﻠﺴﻪ ﺗﺎ{ B_Akrami58@yahoo.com http://www.ieiso.blogfa.com ٣ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻻت ﺳﺮﻓﺼﻠﻬﺎيB_Akrami58@yahoo.com http://www.ieiso.blogfa.com ٤ ١ - ﺁﻧﻬﺎ ﺑﻨﺪي ﻃﺒﻘﻪ و دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻻت ﻣﺎهﻴﺖ٢ - ﺁن ﺑﻪ ﺗﺒﺪﻳﻞ و ﺷﺪﻧﻲ ﺟﺪا دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻟﻪ٣ - ﺁن ﺑﻪ ﺗﺒﺪﻳﻞ و هﻤﮕﻦ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻟﻪ۴ - ﻣﺘﻌﺎﻣﺪ هﺎي ﻣﻨﺤﻨﻲ دﺳﺘﻪ و هﺎ ﻣﻨﺤﻨﻲ دﺳﺘﻪ۵ - آﺎﻣﻞ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻟﻪ۶ - ﺳﺎز اﻧﺘﮕﺮال ﻋﺎﻣﻞ٧ - ﺁن ﺑﻪ ﺗﺒﺪﻳﻞ و ﺧﻄﻲ اول ﻣﺮﺗﺒﻪ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻟﻪ اول ﻓﺼﻞ: اول ﻣﺮﺗﺒﻪ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻟﻪB_Akrami58@yahoo.com http://www.ieiso.blogfa.com ٥ ١ - ﻓﺎﻗﺪ ﺧﺎص ﺣﺎﻟﺖ دوم ﻣﺮﺗﺒﻪ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻟﻪx ﻳﺎy ٢ - دوم ﻣﺮﺗﺒﻪ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻟﻪ٣ - ﻣﺮﺗﺒﻪ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻟﻪn ام۴ - ﮐﺸﻲ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻻت- اوﻳﻠﺮ دوم ﻓﺼﻞ: دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻻت ﺑﺎﻻﺗﺮ و دوم ﻣﺮﺗﺒﻪB_Akrami58@yahoo.com http://www.ieiso.blogfa.com ٦ ﺳﻮم ﻓﺼﻞ: دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻻت دﺳﺘﮕﺎﻩ١ - ﻻﭘﻼس ﺗﺒﺪﻳﻞ٢ - ﻻﭘﻼس ﺗﺒﺪﻳﻞ ﺧﻮاص٣ - ﻻﭘﻼس ﺗﺒﺪﻳﻞ ﻣﻌﮑﻮس۴ - ﻻﭘﻼس روش ﺑﻪ دﻳﻔﺮاﻧﺴﻴﻞ ﻣﻌﺎدﻟﻪ ﺣﻞ ﭼﻬﺎرم ﻓﺼﻞ: ﻻﭘﻼس ﺗﺒﺪﻳﻼت

Upload: hamid58

Post on 20-Jan-2016

88 views

Category:

Documents


2 download

DESCRIPTION

Differential Equation Lecture in Persian

TRANSCRIPT

Page 1: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١

جزوه معادالت دیفرانسيل اسماعيلی : مدرس

٠٩١۴٩٢٣٨٨٢۶:شماره تماس [email protected]

بهروز اکرمی : تهيه کننده

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com

:منابع معادالت ديفرانسيل دانشگاه پيام نور

معادالت ديفرانسيل دآتر مسعود نيكوآار :نمره پاياني درس

) نمره١٠(نمره پايان ترم ) نمره۵(نمره ميان ترم

تمرينات به {) نمره۵(حل تمرينات و فعاليت آالسي شود آه دانشجو صورت متناوب در هر جلسه ارائه مي

} تا جلسه آينده مهلت تحويل دارد

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٣

سرفصلهاي معادالت ديفرانسيل

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٤

ماهيت معادالت ديفرانسيل و طبقه بندي آنها-١ معادله ديفرانسيل جدا شدني و تبديل به آن -٢ معادله ديفرانسيل همگن و تبديل به آن -٣ دسته منحني ها و دسته منحني هاي متعامد -۴ معادله ديفرانسيل آامل -۵ عامل انتگرال ساز -۶ معادله ديفرانسيل مرتبه اول خطي و تبديل به آن -٧

معادله ديفرانسيل مرتبه اول: فصل اول

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٥

yيا x معادله ديفرانسيل مرتبه دوم حالت خاص فاقد -١

معادله ديفرانسيل مرتبه دوم -٢

ام n معادله ديفرانسيل مرتبه -٣

اويلر - معادالت ديفرانسيل کشي -۴

معادالت ديفرانسيل : فصل دوممرتبه دوم و باالتر

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٦

دستگاه معادالت ديفرانسيل: فصل سوم

تبديل الپالس-١ خواص تبديل الپالس-٢ معکوس تبديل الپالس-٣ حل معادله ديفرانسيل به روش الپالس-۴

تبديالت الپالس : فصل چهارم

Page 2: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٧

سري تواني -١ نقاط معمولي ومنفرد وجواب هاي سري معادالت ديفرانسيل -٢ نقاط منفرد منظم معادالت ديفرانسيل خطي مرتبه دوم -٣ حالتي آه معادله شاخص داراي ريشه هاي برابر است-۴

حل معادله ديفرانسيل به روش سري ها : فصل پنجم

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٨

معادله ديفرانسيل مرتبه اول: فصل اول

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٩

ساوي باشد، : مقدمه ه درآن ت با مفهوم معادله يعني رابطه اي ک

رين . آشنا هستيم ولي مي باشد، آن، ساده ت ه يک مجه ه معادل ک

. مي دهيم نشان بانماد

معادله يک مجهولي درجه اول

معادله يک مجهولي درجه دوم

ولي درجه سوم ه يک مجه معادل

الي آخرو

( ) 0=xf0=+bax

02 =++ cbxax023 =+++ dcxbxax

ماهيت معادله ديفرانسيل وطبقه بندي آن

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٠

نشان مي دهيم معادله دو مجهولي که بانماد

معادله دو مجهولي درجه اول

معادله دو مجهولي درجه دوم

الي آخرو

( ) 0, =yxf

0=++ cbyax

022 =+++++ feydxcybxyax

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١١

:درمورد معادله دونوع سوال قابل طرح مي باشد

جواب يا جفت f(x)=0جواب معادلهx0 آيا-أ

؟مي باشدمعادله پيدا کنيد؟ را يا f(x)=0 جواب معادله-ب

( )00 , yx

( ) 0, =yxf( ) 0, =yxf

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٢

ا جايگذاري اولجواب دادن به سوال را ب ساده مي باشد زي

رد شخص ک وان م ي ت وال .م ه س واب دادن ب ي ج دوم ول

رده و . مشکل مي باشد دي ک ادالت را دسته بن د مع دا باي ابت

وع روش خاصي را ر ن راي ه ر ب ارت ديگ ه داده بعب ارائ

:براي حل معادله بايد دو مرحله را مشخص کنيم

مرحله شناخت) 1

)روش حل(مرحله حل) ٢

Page 3: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٣

ه ر درمعادل ال اگ ر ح وان را x متغي بعن

را بعنوان متغير وابسته درنظر بگيريم را y مستقل و متغير

اه ابعي از x آن گ دy ت ي باش شتق م ورد م وان درم ي ت و م

:تابع صحبت کرد يعني

( ) 0, =yxf

( ) ( )n

nn

dxydyy

dxydy

dxdyy ===′′=′ ,...,, 2

2

2

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٤

ه شامل :تعريف ه اي ک اتي از معادل ستقل (xترکيب ر م yو )متغي

سته ( ر واب شتقات آن و )متغي اميم و ، باشد م سيل ن ه ديفران ا را معادل ب

.نشان مي دهيمنماد

:درمورد معادله ديفرانسيل نيز مي توان دو سوال طرح کرد

جواب معادله ديفرانسيل مي باشد؟آيا تابع ) الف

جواب هاي معادله ديفرانسيل را پيدا کنيد؟) ب

( )( ) 0,...,,,, =′′′ nyyyyxf

( ) 0, =yxf

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٥

xey 2=065 =+′−′′ yyy

اده است ) جواب دادن به سوال الف باز ا جايگذاري (س ثال ) ب م

جواب معادله يا تابع آ

ميباشد؟

وال ب ه س واب دادن ب د و ) ج ي باش شکل م وع م ه ن ستگي ب ب

دي آن دارد ه بن ه وطبق ه و . معادل اتعريف مرتب ه ب ه معادل درج

.مي رويم) ديفرانسيل به سراغ سوال ب

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٦

( ) 543 xyy =+′

xdx

yddx

yd=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+

2

2

2

3

3

( ) ( ) 432 yyy =+

ه را :تعريف شترين تکرار مشتق در هر معادل ه بي آن ومرتب. ديفرانسيل ناميمدرجه معادلهتوان بيشترين تکرار مشتق را

:المث.مي باشدمرتبه اول، درجه سوم معادله

مرتبه سوم ، درجه اول معادله ) ٢.مي باشد

مرتبه سوم ، درجه اول مي معادله) ٣.باشد

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٧

ه و مشابه معادله معمولي با ه توجه به تعريف مرتب درجه معادل

رد دي ک ه بن ا راطبق اده . ديفرانسيل مي توان آنه ابراين س رين بن ت

ه اول بصورت سيل مرتب ه ديفران معادل

وان ه اگر ت ر مي باشد ک ا براب اه ب ه يک باشد آنگ معادل

مي باشد مرتبه اول درجه اولديفرانسيل

. زير نيز نشان داده مي شودبصورت کليکه

( ) 0,, =′yyxf

y′

( )( ) ),(

,, yxFyxgyxfy ==′

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٨

معادله ديفرانسيل مرتبه اول درجه اول به صورت :تعريف

اميم معادله جدا شدني را ه شناخت ( ن ه ). مرحل ه مرتب هر معادله جداشدني صارا معادل جدايي (اول درجه اول جداشدني را اخت

هر معادله جدا شدني را مي توان بصورت کلي . ناميم)پذير

.تبديل کرد

( )( )ygxfy =′

( ) ( ) 0=+ dyyNdxxM

Page 4: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٩

دني سيل جداش ه ديفران ل معادل ا انتگرال :ح ري ب ه گي از معادلرا جداشدني وان جواب آن مي ت

.محاسبه کرد

ذکر ومي : ت واب عم به ج سيل محاس ه ديفران ل معادل دف از ح هد ي باش سيل م ه ديفران وابي را . معادل ومي ج واب عم اميم ج ن

ه هرگاه تعداد پارامترها به تعداد مرتبه معادله ديفرانسيل باشد ک.بعدا آنرا دقيقا تعريف خواهيم کرد

( ) ( ) 0=+ dyyNdxxM

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٠

. را حل مي کنيم معادله :مثال

آنگاه داريم :حل

.معادله است )عمومي (جواب عبارت آخر درنتيجه

yyxxy

−+

=′ 2

2

⇐−+

=⇐yyxx

dxdy

2

2

( ) ( ) 022 =−++ dyyydxxx

( ) ( ) 022 ∫∫∫ =−++ dyyydxxx

cyyxx =−++ 3223

31

21

21

31

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢١

ا جرمش متالشي مي شود : مثال ا آهنگي متناسب ب راديم در هر لحظه بر ه ١٠٠اگ رن ب ک ق س از ي رم پ ي گ ود ٩٨ ميل ديل ش رم تب ي گ ميل

: قرن٣مطلوبسيم باقي مانده پس از

:قرن باشد داريم t مقدار راديم باقي مانده پس از Q(t)فرض کنيم : حل

0.02

ln

(0) 100 100( ) .

(1) 98 0.02

( ) 100

cc kt

t

dQ dQ dQQ kQ kdtdt dt QdQ kdt Q kt cQ

Q eQ t e e

Q k

Q t e −

∝ ⇒ = ⇒ = ⇒

= ⇒ = + ⇒

⎧ = → == ⇒ ⎨

= → = −⎩=

∫ ∫

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٢

اهر ه ظ ه اول ممکن است ب ه اول درج سيل مرتب ه ديفران معادلوان مي تغيير متغيريا عباراتيتقسيم برجداشدني نباشد ولي با ت

.آن را تبديل به جدا شدني نمود

معادله : مثال

به ظاهر جدا شدني نيست، ولي با تقسيم برحاصلضرب عبارات : داريم اضافي

: داريم گيري که جدا شدني است پس با انتگرال

.جواب معادله است

( )( ) ( )( ) 01111 22 =+++++ dyyxdxxy

( )( )11 ++ yx011

11 22

=++

+++ dy

yydx

xx

( ) ( ) cyyyxxx =++−+++− 1ln2211ln2

21 22

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٣

: مطلوبست حل معادله زير

cu

tcut

udu

tdt

udu

tdt

dutudtdtydxxdytxy

duydyxdxuyx

ydyxdxxyydxxdyyx

=⇒+=

=⇒=−

=−⎪⎩

⎪⎨

=+⇒=⇒

=+⇒=+

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−=+−++

∫∫

)23

ln(ln23ln

)23(0)

23(

0)21(3

)(2

0)(3))((

22

22

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٤

مطلوبست حل معادالت زير و يافتن جواب عمومي و :تمرين: و خصوصي در صورت وجود شرايط اوليه

21) 1 1 02) 2 ( 1) 0 (0) 2

3)

4) cos 1 sin 0

x y dx x dyx y dx ydy y

dy xdx y

x y dx x y dy

− − − =

+ − = = −

= −

+ + =

Page 5: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٥

معادله ديفرانسيل همگن

معادله مرتبه اول درجه اول بصورتميدانيم

ي يا به صورت و م.باشد

( )( )yxg

yxfy,,

=′

( ) ( ) 0,, =+ dyyxNdxyxM

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٦

مثال معادالت

معادالت مرتبه اول درجه اول مي باشند که هيچکدام جدا شدني ه ه معادل د ک ي باش يتي م ي داراي خاص ه اول ي معادل ستند ول ني

درمعادله ديفرانسيل اول تمام جمالت توابع . دومي نيست

ين نيست ه دومي چن ن . از توان يکسان دو مي باشد ولي معادل اي.مفهوم رابانماد رياضي تعريف مي کنيم

2 2 2

21) 2) ,x y x yy yxy y x+ +′ ′= =

+

),(,),( yxfzyxgz ==

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٧

ابع تابع دو متغيره:تعريف ن از را ت همگ

:ناميم هرگاه درشرط زير صدق کند n درجه

ه دو تابع ن ازدرج ابع همگ ت

.باشد مي

ک تابع ه ي ن از درج ابع همگ ت

.باشد مي

),( yxfz =

( ) ( )yxfttytxf n ,, =

( ) 22, yxyxyxf ++=

( )xyyxeyxf x

y

sin, +=( )xyyxeyxf x

y

sin, +=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٨

معادله ديفرانسيل : تعريف

ن را ه همگ ره معادل ع دو متغي اه تواب ر گ اميم ه ع g و f ن تواببعبارت ديگر معادله ديفرانسيل. همگن از درجه يکسان باشند

ره ع دو متغي اه تواب ر گ اميم ه ن ن ه همگ N و Mرا معادل.توابع همگن از درجه يکسان باشند

( )( )yxg

yxfy,,

=′

( ) ( ) 0,, =+ dyyxNdxyxM

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٩

:حل معادله ديفرانسيل همگن

ا . همگن باشد فرض کنيم معادله ر ب فرض تغيي

داريم متغير

آن گاه با جايگذاري درمعادله نتيجه مي شود که

دا ه روش ج را ب وان آن ي ت دني است م دا ش ر ج ه اخي ه معادل ک

ه شدني حل کرد وبا جايگذاري واب معادل ج

.ديفرانسيل اوليه بدست مي آيد

( )( )yxg

yxfy,,

=′

xyv =y vx y x v OR dy vdx xdvν′ ′= ⇒ = + = +

( )( )

( )( ) ( ) ( )

1, 1,1, 1,

f v f vdv dv dxv x v x v f vg v dx g v f v x

′ = − ⇒ = − = ⇒ =

xyv =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٣٠

معادله ديفرانسيل همگن :مثال

و را حل مي کنيم باجايگذاري

: داريم

با تقسيم برحاصلضرب عبارات اضافي

: داريم

xdvvdxdy += vxy =

( )221 vx +

021 2 ∫∫∫ =

++ dv

vv

xdx

( ) 022 =++ xydydxyx

( ) ( )( )( )

( ) 021021

00

2

322

322222

222

=++

=++

=+++

=+++

xvdvdxvvdvxdxvx

vdvxdxxvxvxxdvvdxxvxdxxvx

Page 6: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٣١

ذکر ه جاي ب: ت ردن ب اده ک والcراي س ln معم c وان را بعن.پارامتر ثابت اختيار مي کنيم

.جواب معادله ديفرانسيل مي باشد

21ln ln(1 2 ) ln4

x v c+ + =

12 244

24

2

ln (1 2 ) ln (1 2 )

2(1 )

x v c x v c

yx cx

+ = ⇒ + = ⇒

+ =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٣٢

مطلوبست حل معادله ديفرانسيل زير؟: تمرين

2 2

( )1)4

2)

dy x ydx x y

x y ydydx x

− −=

− +=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٣٣

:معادالت با ضرايب خطي

معادالت به صورت

. معادالت با ضرايب خطي گويند

: حل معادالت با ضرايب خطي

متقاطع باشند با تغيير (h,k)اگر دو خط در نقطه : حالت اول معادله به معادله همگن تبديل y=Y+k و x= X+hمتغير . ميشود

اگر اين دو خط موازي باشند با تغيير متغير : حالت دوم

a1x + b1y=z معادله به معادله جداشدني تبديل مي شود

0)()( 222111 =+++++ dycybxadxcybxa

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٣٤

:مطلوبست حل معادالت ذير

0)()122()20)()1()1=++−+

=−+−+dyyxdxyx

dyyxdxyx

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٣٥

دسته منحني هاي متعامد دسته منحني ها وه اول سيل مرتب مالحظه شد که جواب عمومي هر معادله ديفران

وقتي . معموال شامل يک ثابت اختياري موسوم به پارامتر است سبت داده مي شود، يک دسته ارامتر ن ن پ مقادير مختلفي به ايا يک جواب ي ه ن منحن د هر يک از اي منحني به دست مي آي

سيل مفروض است و ه ديفران م خصوصي معادل ا ه ا ب ه آنه همبنابراين معادله. جواب عمومي آن را تشکيل مي دهند

ارامتر راي پ ف ب ادير مختل ه ازاي مق ي cب ته منحن ک دس ي),,(0 .باشد مي =cyxf

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٣٦

ر د ب ي هاي متعام ي حال مي خواهيم دسته منحن يک دسته منحنروض را ه مف م ک ت آوري سيل بدس ه ديفران تفاده از معادل بااس

د ي باش سيل م ه ديفران اربردي از معادل دادي . ک ال تع وان مث بعن:در زير رسم مي کنيم دسته منحني را

Page 7: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٣٧ [email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٣٨

اال حال با توجه به مطالب وان و ب ر مي ت د زي تفاده از رون ا اس ب:دسته منحني هاي متعامد بريک دسته منحني ها را پيدا کرد

0),,(01,,1

=⇒=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛′

−⎯⎯ →⎯ ′−=′

cyxgy

yxfyy

( ) 0,,0),,( =′⇒= yyxfcyxfمعادله دسته منحني ها معادله ديفرانسيل دسته منحني ها

معادله ديفرانسيل دسته معادله منحني هاي متعامد دسته

منحني هاي متعامد

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٣٩

ه :مثال ر ب دسته منحني هاي متعامد بردسته منحني هاي دوايم ي آوري ت م واه رابدس عاع دلخ دا وش ز مب : مرک

⇒=⇒=←دسته منحني هاي متعامد

+=⇒=⇒=

=′⇒′

=⇒=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛′

−+⎯⎯ →⎯

=′+⇒=′+⇒=+

∫ ∫

′−→′

cxycxy

cxyx

dxy

dyydxdyx

yyxyyx

yyx

yyxyyxcyx

yy

lnln

lnlnln

01

00221

222

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٤٠

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٤١

ي هاي داده شده را برحسب ه دسته منحن اغلب مناسب است ک

تفاده ن موضوع اس مختصات قطبي بيان کنيم دراين حالت از اي

ين شعاع حامل و مي کنيم که اگر ه ب خط مماس باشد زاوي

تفاده بحث ). رياضي عمومي ( آن گاه با اس

راي د باال ب ي هاي متعام افتن دسته منحن سيل درمعادي ه ديفران ل

منفي عکس آن داده شده به جاي عبارت دسته منحني

.را جايگذاري مي کنيم يعني

ϕ

drrdθϕ =tan

drrdθ

θrddr

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٤٢

دسته منحني هاي متعامد بردسته منحني هاي: مثال

ا . را درمختصات قطبي بدست مي آوريم ي ه ه دسته منحن معادل:در مختصات قطبي عبارت است از

: بنابراين

:داريم cجايگذاري مقدار که با

cxyx 222 =+

θcos2cr =θ

θsin2c

ddr

−=

θθθθ

θθ sincossin

cos=−⇒⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=−

drrdr

ddr

Page 8: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٤٣

: داريم جايبه که با جايگذاري

. معادله دسته منحني هاي متعامد مي باشد

drrdθ

θrddr

cos cossin sin

ln ln sin ln 2 ln ln 2 sin

2 sin

dr dr drd rr c r c

r c

θ θ θθ θ θ

θ θ

θ

− = − ⇒ =

= + ⇒ = ⇒

= ←

∫ ∫

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٤٤

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٤٥

معادله ديفرانسيل کامل رياضيات عمومي با ديفرانسيل توابع دو متغيره در

ا آشنا شديم و ه ب ابع را ک سيل کامل ت ه ديفران مالحظه کرديم ک عبارت است از،ان مي دهيم نشdf نماد

صورت و ه اول ب ه اول درج سيل مرتب ه ديفران ين معادل همچن.مي باشد کلي

),( yxfz =

dyyfdx

xfdf

∂∂

+∂∂

=

( ) ( ) 0,, =+ dyyxNdxyxM

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٤٦

معادله ديفرانسيل:تعريف

ناميم هر گاه تابع دو متغيرهمعادله کاملرا

وموجود باشد بطوري که

سيل داده شده ه ديفران ين اينکه معادل اال تعي ه تعريف ب با توجه بره ع دو متغي ام تواب د تم را باي ت زي شکل اس د، م ي باش ل م کام

يم و ستجو کن ابع داراي راج دام ت ب ک ه بترتي يم ک ه کن مالحظع y و x مشتقات جزيي نسبت به ا تواب برابر ب

.دمي باشو

( ) ( ) 0,, =+ dyyxNdxyxM

),( yxfz =

( )yxMxf ,=∂∂( )yxN

yf ,=∂∂

( )yxMM ,=( )yxNN ,=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٤٧

ذي ار امکان پ ن ک م اگر اي ل ر ه ين دلي ه هم باشد، مشکل است بابعي را M ،N شرايطي روي بدست مي آوريم که وجود چنين تبا مشتق گيري جزيي از طرفين رابطه هاي . تضمين کند

: داريم y و x نسبت بهبا مشتق گيري

:با توجه به اينکه براي توابع پيوسته داريم

: بنابراين

( )yxMxf ,=∂∂( )yxN

yf ,=∂∂

yM

xf

yxN

yf

x ∂∂

=∂∂

∂∂

∂∂

=∂∂

∂∂ ,

xyf

yxf

∂∂∂

=∂∂

∂ 22

xN

yM

∂∂

=∂∂

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٤٨

معادله ديفرانسيل شرط کامل بودنبنابراين

: عبارت است از

.)مرحله شناخت(

( ) ( ) 0,, =+ dyyxNdxyxM

xN

yM

∂∂

=∂∂

Page 9: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٤٩

.را بررسي نماييدمعادالت ديفرانسيل زير کامل بودن : مثال

پس کامل ميباشد

پس کامل ميباشد

( ) ( ) 032 2 =+++ dyyxdxyx

⎯⎯←=∂∂

==∂∂ 11

xN

yM

( ) ( ) 0332 2223 =++++ dyxyyxdxyxy

1616 22 +=∂∂

=+=∂∂ xy

xNxy

yM

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٥٠

:حل معادله ديفرانسيل کامل فرض کنيم که معادله ديفرانسيل

کامل باشد بنابر تعريف معادله ديفرانسيل کامل، تابعي مانند :موجود است که

پس بنابر تساوي هاي باال نتيجه مي شود

.جواب معادله ديفرانسيل مي باشد ويا

( ) ( ) 0,, =+ dyyxNdxyxM

),( yxfz =( )yxM

xf ,=∂∂( )yxN

yf ,=∂∂

0=df

cf =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٥١

د f تنها معلومات، مشتقات جزيي تفاده از رون مي باشد که با اس.زير مي توان آنرا محاسبه کرد

تفاده از رابطه دوم ا اس اه ب دار آن گ بدست مق

ميباشد که همان مي آيد که با انتگرال گيري از آن مجهوله f محاسبه مي شود در نتيجه د ک جواب بدست مي آي

.معادله ديفرانسيل است

( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )ydxyxmyy

f

ydxyxMfyxMxf

yxNyf

yx

ϕ

ϕ

′+∂∂

=∂∂

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎯→⎯+=⎯→⎯∫=∂∂

=∂∂

∫ ∂∂

,

,,

,

( )yxNyf ,=∂∂( )yϕ′

cf =( )yϕ

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٥٢

مالحظه شد که معادله :مثال

: کامل مي باشد پس

. جواب معادله ديفرانسيل است

( ) ( )

( ) ( )

( ) cyyxxyyxxfyy

yyyxyxyxyf

yxyfyyxxfyx

xf

df

yx

=++⎯⎯→⎯++=⇒=⇒

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

=′⇒+=′+⇒+=∂∂

′+=∂∂

⎯→⎯++=⎯→⎯∫+=∂∂

=

∂∂

320323

222

2

333

2

ϕ

ϕϕ

ϕϕ

( ) ( ) 032 2 =+++ dyyxdxyx

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٥٣

عامل انتگرال سازکامل نمي باشد زيرامعادله ديفرانسيل

:ضرب کنيم داريمولي اگر طرفين معادله باال را در

واين معادله ديفرانسيل جديد کامل مي باشد زيرا

.و مي توان به روش کامل معادله ديفرانسيل جديد را حل کرد

( ) 02 =+− dyxxydx

1,12 =∂∂

−−=∂∂

yMx

xN

2

1x

u =

0112 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +− dy

xdx

xy

22

1,1xy

Mxx

N=

∂∂

=∂∂

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٥٤

ي باضرب سيل کامل نباشد ول ه ديفران بنابراين ممکن است معادل

را عاملي کردن ه آن ابع ک ه عامل انتگرال ساز درت ديل ب وييم تب گ

رد ل ک ونگي . کام از وچگ رال س ل انتگ ود عام رط وج ون ش اکن

.محاسبه آن را بيان مي کنيم

کامل نباشد يعنيفرض کنيم که معادله

ق تعريف وداراي عامل انتگرال ساز اه طب باشد، آنگ

.مي باشدکامل عامل انتگرال ساز معادله جديد

( ) ( ) 0,, =+ dyyxNdxyxM

xN

yM

∂∂

≠∂∂

),( yxuu =

0=+ uNdyuMdx

Page 10: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٥٥

با توجه به شرط کامل بودن داريم

به ه محاس ل تحت u ک ين دلي ه هم ست ب ه ممکن ني ن معادل از اي.شرايط خاصي عامل انتگرال ساز را بررسي مي کنيم

xuN

xNu

yuM

yMu

∂∂

+∂∂

=∂∂

+∂∂

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٥٦

ابعي از ) لفا ط ت ه عامل انتگرال ساز فق يم ک xفرض مي کن، آن گاه باشد يعني

:که با جايگذاري داريم

( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ∫=→⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

−∂∂

=

⇒∂∂

+∂∂

=∂∂

+∂∂

dxxpeu

xN

yM

Nxp

xuN

xNu

yuM

yMu

1

)(xuu =, 0u du u

x dx y∂ ∂

= =∂ ∂

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٥٧

ابعي از ) ب ط ت از فق رال س ل انتگ ه عام يم ک ي کن رض م y فنگاه ، آ باشد يعني

:که با جايگذاري داريم

( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ∫=⇒⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

−∂∂

−=

⇒∂∂

+∂∂

=∂∂

+∂∂

dyyqeu

xN

yM

Myq

xuN

xNu

yuM

yMu

1

)(yuu =, 0u du u

y dy x∂ ∂

= =∂ ∂

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٥٨

ال ه :مث راي معادل عامل انتگرال سازي ب.را پيدا مي کنيم

ابتدا مقدار مشترک محاسبه مي کنيم :حل

: داريم مقدار به دست آمده M–ر که با تقسيم ب

.عامل انتگرال ساز مي باشدس پ

( ) 01 2 =++ dyxdxxy

xxxxN

yM

−=−=∂∂

−∂∂ 2

( ) ( )1 1 1M Nq y xM y x xy y

⎛ ⎞∂ ∂= − = − =⎜ ⎟− ∂ ∂ −⎝ ⎠

yeeu ydy

y ==∫

= ln1

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٥٩

ذکر را :ت ل انتگ ل داراي عام ر کام سيل غي ه ديفران اهي معادل ل گ

ه درآن ت سازي بصور m ،n است، ک

.ثابتهاي مناسبي هستند

ه صورت افتن عامل انتگرال سازي ب راي ي ب

يم ه را درآن ضرب مي کن ودن کامل واز شرط طرفين معادل ب

.استفاده مي کنيم

( ), n mu x y x y=

( ), n mu x y x y=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٦٠

روش دسته بندي يا کوتاه:تذکره يکي سيل را ب گاهي با جستجو کردن مي توان معادله ديفران

:از حاالت زير دسته بندي کرد

ادالت ري از طرفين مع ا انتگرال گي که به سادگي مي توان ب .جواب آنها را بدست آورد

( ) ( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( ) ( )( )yxvdyxud

dyyNyxudyxvddxxM

dyyNdxxM

,,,

,

==

==

Page 11: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٦١

: يادآوري

2

12 2

2

1

22

2 2

2

2

2) ( )

5)

3) ( )

6) (tan ( )

1) ( )

4) (tan )

7) (ln( )) 2

(ln )

)1

x ydx xdydy y

x ydx xdydy

y ydx xdydx x

ydx xdy

d xy ydx xdy

y ydx xdydx x y

xdx yd

d xyx y

x

yd x yx y

y

− +→ =

+→ =

+

−→

→ = +

− +→ =

+

++

→ =

→ =+

=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٦٢

ا معادله ديفرانسيل :مثال روش دسته را ب.بندي حل مي کنيم

:حل

( ) 02 =−+ xdydxyy

( )

xcxycx

yx

dxyxddx

yxdyydx

dxyxdyydxxdydxyy

−=⇒+−=

⎯→⎯∫−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⇒−=

⇒−=−⇒=−+

2

22 0

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٦٣

:تمرين

ع -١ ر از منب ه اگ د ک ت بياوري ه دس ري را ب ه مقع کل آين شوازي محور انيم م ه آن بتاب وري ب وراني ن نعکس xن ا م ه

.شود

رض -٢ ه ع تخري ب ريم ١٠ اس ر ميگي ر در نظ سري در . مت په طرف ايقي را از آن سمت استخر ب يک طرف استخر قايق در شيدن ق ين ک سر ح ن پ ر اي ال اگ شد ح ي ک ود م خدود وم ب ا سرعتي معل عرض استخر در طول استخر نيز ب

. ثانيهtمطلوبست مسير قايق بعد از

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٦٤

مطلوبست حل معادالت زير؟: تمرين2

2

22

2

2 2 3

2 2

1) ( ) 0

2)2

3) ( ) 0

4) 0

5) (1 ) 06) ( ) 3 2 07) (4 9 )(4 9 )

y

y

y dx x y dydy edx xe yy y dx x dyydx xdy y dy

yxy dx x dyx xy y xy y

x dy y dx x y x dx ydy

+ + =

=−+

+ − =−

+ =

+ + =

′+ − + =

− = + +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٦٥

معادله ديفرانسيل مرتبه اول خطي

ه اول بصورت ه مرتب ه معادل مالحظه شد ک

ه ميباشد که اگر توان هاي را معادل ا يک باشد آن ر ب براب

اميم ه خط در (مرتبه اول خطي ن ز يمعادل وان ني ت

x و y وان يکي از ولي ابرابر با يک مي باشد ا گر ت ر آنه ه غي ب

ي مي باشد ه منحن ه ) يک باشد آن گاه معادل ه مرتب ابراين معادل بن

زير مي باشداول خطي به صورت

( ) 0,, =′yyxf

yy ,′

cbyax =+

( )xfyxfyxf 321 )()( =+′

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٦٦

ر سيم طرفين ب ا تق ي f1 ب ه اول خطي بصورت کل ه مرتب معادل) مرحله شناخت ( زير در مي آيد است

: معادالت زير مرتبه اول خطي هستندبراي مثال

( ) ( )xqyxpy =+′

2

2)3

1)2

1)1 3

x

x

exyy

eyx

y

xyx

y

=−′

=+′

=+′

Page 12: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٦٧

رفين براي حل معادله ديفرانسيل ط

ه را در ن معادل از اي رال س ل انتگ ضرب عام

ه ه مي کنيم که با ضرب اين عامل در معادل جواب عمومي معادل

. به شکل زير در مي آيدمرتبه اول خطي

( ) ( )xqyxpy =+′

( )dxxpeu ∫=

( ) ( ) ( ) ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +∫∫∫=

−cdxxqeey

dxxpdxxp.

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٦٨

. را حل مي کنيم معادله مرتبه اول خطي:مثال

. استجواب معادله ديفرانسيل

31 xyx

y =+′

( ) ( )

xcxycxxy

cdxxxeycdxxeey

cdxxeey

xxpxxq

xxx

dxx

dxx

+=⇒⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

⇒+=⇒+∫=

⇒+∫∫∫=

==

∫−

451

3ln3.lnln

311

3

51

51

].[].[

.[

1

1

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٦٩

حالت خاصي از معادالت مرتبه اول خطي به صورت

ا يک مي باشد x و مي باشد که توان هاي . برابر ب xتوجه به روش حل معادله مرتبه اول خطي با تعويض نقش با وبالعکس نتيجه مي شود که y با

( ) ( )yqxypdydx

=+

dydxx =′

( ) ( ) ( ) ].[ cdyyqeexdyypdyyp

+∫∫∫=−

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٧٠

مي شود حالت خاصي از معادالت مرتبه اول که تبديل به خطي

ه صورت ه ازاي ب ه ب مي باشد ک

معادله جدا شدني است ،معادله مرتبه اول خطي است

ه ازاي ده مي شود وب ولي نامي ه برن ه . ، معادل معادل

ر ر متغي ا تغيي وان ب ولي را مي ت حل ديفرانسيل برن

. داراي جواب استوکرد

nyxqyxpy )()( =+′0=n

1=n

1,0≠n

nyz −= 1

cdxxqneeyzdxxpndxxpnn +−∫∫== ∫

−−−− )()1.([)()1()()1(1

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٧١

. را حل مي کنيم معادله: مثال431 yxy

xy =+′

3

1 1( 3) ( 3)3 3

3 3 3 3

3 3

3 3

3 4 3

1( ) ( ) 4 1 3

[ .( 3) ]

[ .( 3 ) ]

[ 3 ]

( 3 )3

dx dxx x

q x x p x n nx

y e e x dx c

y x x x dx c

y x dx c

y x x cy x cx

− − −−

− −

= = = − = −

∫ ∫= − + ⇒

= − + ⇒

= − + ⇒

= − + ⇒

= − +

∫∫∫

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٧٢

(Clairaut)کلرومعادله ديفرانسيل

سيل ه ديفران ورت معادل ه ص ام ب ه ن بمي شود بسادگي مالحظه . معروف است(Clairaut)کلرو

اال ه ب وابي از معادل د ج ي باش م ،م ري داري شتق گي ا م به ذاري در ک ا جايگ ه ب واب نتيج ودج ي ش م

ه انک ت هم رو اس ه کل ا . معادل رو ب ه کل واب معادل ابراين ج بن.دست مي آيد بب جايگذاري

)(yfyxy ′+′=

)(cfcxy +=cy =′

)(yfyxy ′+′=

cy =′

Page 13: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٧٣

. را حل کنيد معادله:مثال

.استمعادله داراي جواب با جايگذاري: حل

2)( yyxy ′+′=

cy =′

2ccxy +=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٧٤

ريکاتيمعادله ديفرانسيل

ه اول اتي مرتب سيل ريک ه ديفران ه (Riccati)ريکاتيمعادل با شرط مي باشد صورت ب

د جوابي خاص از ب اال باي ه ب راي پيدا کردن جواب عمومي معادلاال اگر .آن معلوم باشد يک جواب خاص از معادله ب

د ذاري. باش ه را و جايگ معادلبه معادله ديفرانسيل

.تبديل مي کند است، مرتبه اول خطي که

2)()()( yxhyxgxfy ++=′0)( ≠xh

)(1 xyy =

uyy 1

1 +=21 uuyy′

−′=′

)(])(2)([ 1 xhuyxhxgu −=++′

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٧٥

) با( معادله : مثال: کنيم را حل مي

23 12 yx

yx

xy −+=′21 xy −=

⇒+=

=+=

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

=++′⇒=−−++′

−===

∫ ++− ]1[

1)(22)(

1)22(1)]).(1(22[

1)(2)()(

22 ln2)ln2(

2

3

cdxx

eeu

xxqx

xxp

xux

xu

xux

xxu

xxh

xxgxxf

xxxx

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٧٦

2 2

2 2

2 2

2 2

22

2 2

2

2

(2ln ) 2ln

2ln 2ln

2 2

2

2 22 2 2

2

1[ ]

1[ . ]

1[ . ]

[ ]

1 1 22 2 2

22

x x x x

x x x x

x x

x x

xx

x x

x

x

u e e dx cx

u e e e e dx cx

u x e x e dx cx

u x e xe dx c

c e cu x cx ex x e x e

x ey xe c

− + +

− −

− −

− −

− − −

= +

= +

= +

= +

+= + = + =

= − ++

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٧٧

مطلوبست حل معادالت زير؟: تمرين2

3

2

1) 2

2) 0

3) ( )

xy xy exy xy yy

y y x y

′ − =

′ + = ≠

′ ′= +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٧٨

معادالت ديفرانسيل : فصل دوم

مرتبه دوم و باالتر

Page 14: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٧٩

معادله ديفرانسيل مرتبه دوم ه ه دوم دراين فصل معادل را در مرتب

.حاالت خاص بررسي مي کنيم

به صورت :x مرتبه دوم فاقدمعادله و مثال . مي باشد

به صورت :y مرتبه دوم فاقدمعادله .مي باشد و مثال

0),,,( =′′′ yyyxf

( , , ) 0f y y y′ ′′ =2( ) 0yy y y y′′ ′ ′′= + =

0),,( =′′′ yyxf23xy y xy y x′′ ′ ′′ ′= − =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٨٠

حل معادلهه با تغيير متغير ه مرتب ه معادل ه را ب وان معادل مي ت

اول تبديل کرد که اگر معادله بدست آمده يکي از معادالت مرتبه .مي توان آنرا حل کرد اول باشد که قبال بحث شده است

:زيرا

.که معادله مرتبه اول مي باشد

( , , ) 0f x y y′ ′′ =py =′

dpy p ydx

′ ′′= ⇒ =

( , , ) 0 ( , , ) 0dpf x y y f x pdx

′ ′′ = ⇒ =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٨١

حل معادلهمي توان معادله را به معادله مرتبه با تغيير متغير

اول تبديل کرد که اگر معادله بدست آمده يکي از معادالت .مي توان آنرا حل کرد مرتبه اول باشد که قبال بحث شده است

زيرا

متغير وابسته p متغير مستقل و y معادله مرتبه اول با فرض .مي باشد

py =′

( , , ) 0 ( , , ) 0

dp dp dy dpy p y pdx dy dx dy

dpf y y y f y p pdy

′ ′′= ⇒ = = =

′ ′′ = ⇒ =

( , , ) 0f y y y′ ′′ =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٨٢

زير؟جواب عمومي معادله ديفرانسيل مطلوبست : مثال

1 1 1

21 1 1 2

ln ln ln ln ln12

dpy p ydx

dp dp dx dp dxx pdx p x p xp x c p c x p c x

dy c x dy c xdx y c x cdx

xy y

′ ′′= ⇒ =

= ⇒ = ⇒ =

= + ⇒ = ⇒ = ⇒

= ⇒ = ⇒ = +

′′ ′=

∫ ∫

∫ ∫

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٨٣

زير؟جواب عمومي معادله ديفرانسيل مطلوبست : مثال

1 2 1 2 1

2

1 1

1 1 1 2

2

ln ln ln

ln

.

( )

c x c c x c c x

dp dp dy dpy p y pdx dy dx dy

dpyp p ydp pdydy

dp dy p y c p c yp y

dy dyc y c dx y c x cdx yy e e e y ce

yy y

+

′ ′′= ⇒ = = =

= ⇒ =

⇒ = ⇒ = + ⇒ =

⇒ = ⇒ = ⇒ = +

⇒ = = ⇒ =

=′′ ′

∫ ∫

∫ ∫

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٨٤

ع هر :تذکر درحل اين نوع معادالت ديفرانسيل مرتبه دوم، درواقا را معادله مرتبه دوم را به دو معادله مرتبه اول تبديل کرده وآنه

.حل مي کنيم

مطلوبست حل معادالت زير؟:تمرين

1) 02)

y yy y x′′ + =′′ ′+ =

Page 15: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٨٥

مرتبه دوم خطي ديفرانسيل معادله بصورت کلي

و نرا مرتبه دوم خطي همگن ناميم آ f4(x)=0مي باشد که اگر

نمايش ygجواب آن را جواب عمومي معادله ناميده و با

جواب معادله فوق را جواب f4(x)≠0در حالتيكه . مي دهيم

جواب آلي معادله فوق . نمايش مي دهيم ypخصوصي ناميده و با

مجموع اين دو جواب مي باشد يعني

)()()()( 4321 xfyxfyxfyxf =+′+′′

g py y y= +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٨٦

ر ا f3 و f1 ،f2اگ ادير آنه ر مق ارت ديگ ند بعب ت باش ع ثاب تواباعداد ثابت باشند آن گاه معادله بصورت

مي باشد که مي توان آنرا بصورت ساده

ا ضرايب ثابت مالحظه کرد که آنرا ، مرتبه دوم خطي همگن ب)مرحله شناخت. ( با ضرايب ثابت ناميم يا اختصارًا

0321 =+′+′′ yayaya

0y ay by′′ ′+ + =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٨٧

مرتبه دوم خطي همگن با ضرايب ثابت حل معادله

داريم با تعريف نماد

: داريممعادله با جايگذاري در

)يا مفسر (معادله کمکيرا معادله آن را حل مي آنيم سه . يم آه يك معادله درجه دوم مي باشد نام

:حالت رخ مي دهد

dxdD =

2, ( )dy d dyy Dy y D ydx dx dx

′ ′′= = = =

20 ( ) 0y ay by D aD b y′′ ′+ + = ⇒ + + =2( 0)D aD b+ + =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٨٨

آنگاه باشد) m2 و m1(متمايز حقيقي داراي دو ريشه معادله مفسر ) الف: جواب عمومي معادله ديفرانسيل به صورت زير خواهد بود

آنگاه جواب عمومي معادله باشد ) m(مضاعف حقيقي داراي ريشه ) ب: ديفرانسيل به صورت زير خواهد بود

آنگاه باشد )m1,m2=a±ib( متمايز به صورت ريشه مختلط دو داراي ) ج: جواب عمومي معادله ديفرانسيل به صورت زير خواهد بود

1 21 2

m x m xgy c e c e= +

1 2mx mx

gy c e c xe= +

1 2( cos sin )axgy e c bx c bx= +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٨٩

: مطلوبست حل معادالت زير : مثال

2 2 31 2

2 2 21 2

2

12

1 2

1) 5 6 05 6 0 2,3

2) 4 4 04 4 0 2

3) 0

1 31 02 2

3 3( cos sin )2 2

x xg

x xg

x

g

y y yD D D y c e c e

y y yD D D y c e c xe

y y y

D D D i

y e c x c x

′′ ′− + = ⇒

− + = ⇒ = ⇒ = +

′′ ′− + = ⇒

− + = ⇒ = ⇒ = +

′′ ′− + = ⇒

− + = ⇒ = ± ⇒

= +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٩٠

نيرونسک g(x)و f(x) براي هر دو تابع :تعريف

(Wronskian) توابع f و g را به صورت زير نمايش و

.تعريف مي آنيم

ن متحد با صفر است اگر وفقط اگر دو يثابت مي شود که رونسک

اند تر دو تابع، وابسته خطي بعبارت ساده. ندشابتابع وابسته خطي

هر گاه يکي مضرب ديگري باشد، درغير اين صورت آنها را

. مستقل خطي مي ناميم

( ) ( )( , ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )f x g x

w f g f x g x g x f xf x g x

′ ′= = −′ ′

Page 16: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٩١

معادله ديفرانسيل مرتبه دوم خطي غير همگن حل ر ت غي ا ضرايب ثاب ه دوم خطي ب ه مرتب ه معادل د ک ه ش مالحظ

راي مي باشد همگن بصورت ه ب آد جواب عمومي آن را در حالت يم باي ه گفت ان طور آ حل آن همر ت غي راي حال واب خصوصي ب ك ج پس ي رده س دا آ ن پي همگهمگن آن بدست آوريم جواب آلي معادله عبارتست از مجموع دو

:جواب عمومي و خصوصي

ه صوصيهدف از اين قسمت درس پيدا کردن جواب خ پس معادل:ن غير همگ

)(xfbyyay =+′+′′

g py y y= +

)(xfbyyay =+′+′′

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٩٢

: روش تغيير پارامترفرض آنيم جواب عمومي معادله همگن به

صورت باشد آنگاه جواب خصوصي معادله به

: شود صورت زير محاسبه مي

0=+′+′′ byyay

)(xfbyyay =+′+′′

1 1 2 2( ) ( ) ( )gy x c y x c y x= +

1 1 2 2

1 1 2 2

1 1 2 2

2 11 2

1 2 1 2

( ) ( )

0( )

( ) ( ),( , ) ( , )

py v x y v x y

v y v yv y v y f x

y f x y f xv dx v dxw y y w y y

= +

′ ′+ =⎧⎨ ′ ′ ′ ′+ =⎩

−= =∫ ∫

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٩٣

:مطلوبست حل معادله زير

12 2 31 2

1

1 1 2 2

2 31 1 2 2 1 2

2 31 1 2 2 1 2

21 2

2 2 3

5 6 3

25 6 0 5 6 0

3

0 0( ) (2 ) (3 ) 3

33 ,2

33 . . 32

x

x xg

p

x x

x x x

x x

x x x xp

y y y e

Dy y y D D y c e c e

D

y v y v y

v y v y v e v ev y v y f x v e v e e

v e v e

y e e e e

− −

− −

′′ ′− + =

⎧ =⎧⎪ ′′ ′− + = ⇒ − + = ⇒ ⇒ = +⎨ ⎨ =⎪ ⎩⎩= +

′ ′ ′ ′⎧+ = + =⎧ ⎪⇒⎨ ⎨′ ′ ′ ′+ = ′ ′+ =⎪⎩ ⎩−

= =

= − =

2 31 2

3 32 2

32

x x x

x x xg p

e e e

y y y c e c e e

− =

= + = + +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٩٤

2

2 21 2 1 2

211 2

221 2

2

21 2

( 3 2)( 1)( 2)

0

2

(1 )

(1 )

x

x

x x x xg p

x x

xx x x

x x x xp

x x xp g

D D y eD D y e

y c e c e y v e v e

v xv e v ev ev e v e e

y xe e e x e

y y y c e c e x e

− + =

− − =

= + ⇒ = +

= −′ ′⎧ + = ⎧⎪ ⎪⇒⎨ ⎨= −′ ′+ = ⎪⎪ ⎩⎩

= − − = − +

= + = + − +

مطلوبست حل معادله زير؟ :مثال

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٩٥

: مطلوبست حل معادالت زير :تمرين1) 5 6 12) 5 63) 64) 3 2 sin( )

x

x

y y y xy y yy y y ey y y e

′′ ′− + = +′′ ′− +

′′ ′− − =

′′ ′− + =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٩٦

خطي همگن با ضرايب ثابت امnمرتبه حل معادله

:معادله مفسر را آه در معادله مرتبه دوم داشتيم تعميم مي دهيم

با توجه به ريشه هاي معادله مفسر، جواب عمومي برابر است با

:عبارت هاي زير

( ) ( 1)1 1

11 1

11 1

1 2 3

... 0

( ... ) 0

( ... ) 0

( )( )( )...( ) 0

n nn n

n nn n

n nn n

n

y a y a y a y

D a D a D a y

D a D a D a

D m D m D m D m

−−

−−

−−

′+ + + + = ⇒

+ + + + = ⇒

+ + + + =

− − − − =

Page 17: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٩٧

خطي همگن با ضرايب ثابت امnمرتبه حل معادله يك عبارت به صورت mk به ازاي هر ريشه حقيقي مانند -١

. به جواب عمومي اضافه مي شود يك عبارت r از مرتبه mk به ازاي هر ريشه حقيقي تكراري -٢

به صورت

. به جواب عمومي اضافه مي شود

km xkc e

11 2 ...k k km x m x m xr

rc e c xe c x e−+ + +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٩٨

خطي همگن با ضرايب ثابت امnمرتبه حل معادله يك عبارت به صورت a±ib با ازاي هر جفت ريشه مختلط -٣

. شود به جواب عمومي اضافه مي ام r از مرتبه a±ib با ازاي هر جفت ريشه مختلط تكراري -۴

يك عبارت به صورت

. به جواب عمومي اضافه مي شود

1 2 3 41

2 1 2

( cos sin ) ( cos sin ) ...

( cos sin )

ax ax

r axr r

e c bx c bx xe c bx c bx

x e c bx c bx−−

+ + + + +

+

1 2( cos sin )axe c bx c bx+

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٩٩

مطلوبست حل معادله زير؟ : مثال

هاي حقيقي ريشه

ريشه تكراري از مرتبه دوم

( )( )21 2 0

0,1

2

D D D y

D

D

− − = ⇒

= ⎯⎯→

= ⎯⎯→

0 2 21 2 3 4

2 21 2 3 4

x x x xg

x x x

y c e c e c e c xe

c c e c e c xe

= + + + =

+ + +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٠٠

مطلوبست حل معادالت زير؟ : تمرين

( )( )( )( )

( )( )

2

3 2

2

2 2 2

2 2

1) ( 1) 2 2 0

2) ( 2) 1 3 0

3) ( 3 3 1) 04) ( 2) 2 0

5) ( 9) 4 0

6) ( 2 5) 0

D D D y

D D D y

D D D yD D y

D D y

D D y

− − + =

− + + =

− + − =

− + =

+ − =

− + =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٠١

همگن با ضرايب ثابت غير خطي امnمرتبه حل معادله

اين معادله به صورت زير مي باشد

تعميم نيز معادالت اين را مي توان براي پارامترروش تغيير

: داد، يعني اگر

باشد آن گاه با فرض مربوطه جواب عمومي معادله همگن

1 1 2 2 ...g n ny c u c u c u= + + +

1 1 2 2 ...p n ny v u v u v u= + + +

( ) ( 1)1 1... ( )n n

n ny a y a y a y f x−− ′+ + + + =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٠٢

1 1 2 2

1 1 2 2

( 2) ( 2) ( 2)1 1 2 2

( 1) ( 1) ( 1)1 1 2 2

... 0

... 0

... 0

... ( )

n n

n n

n n nn n

n n nn n

v u v u v uv u v u v u

v u v u v u

v u v u v u f x

− − −

− − −

⎧ ′ ′ ′+ + + =⎪′ ′ ′ ′ ′ ′+ + + =⎪

⎪⎨⎪ ′ ′ ′+ + + =⎪⎪ ′ ′ ′+ + + =⎩

M

همگن با ضرايب ثابت غير خطي امnمرتبه حل معادله

توان جواب خاص مجهولي زير مي nمعادله n حل دستگاهو : معادله غير همگن را بدست آورد

Page 18: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٠٣

3 2 2

2

2 2 21 2 3 1 2 3

21 2 3

21 2 3

2 21 2 3

( 3 4)( 1)( 2)( 1)

0

2 0

4

?

?

x

x

x x x x x xg p

x x x

x x x

x x x x

p

p g

D D y xeD D D y xe

y c e c e c xe y v e v e v e

v e v e v e

v e v e v e

v e v e v e xe

y

y y y

− − − −

− −

− −

− − −

+ − =

− + + =

= + + ⇒ = + +

′ ′ ′⎧ + + =⎪′ ′ ′− − =⎨

⎪ ′ ′ ′+ + =⎩=

= + =

مطلوبست حل معادله زير؟ :مثال

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٠٤

اويلر-معادله کشين ي همگ ه دوم خط ه مرتب معادل

.مي ناميماويلر-ثا بت اند معادله کشي اعداد b و a که درآن را

اويلر مي –مثال معادالت ديفرانسيل زير معادله هاي کشي براي

.باشند

) الف

) ب

02 =+′+′′ byyaxyx

0642 =+′−′′ yyxyx

02 =−′+′′ yyxyx

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٠٥

اويلر–حل معادله کشي

ه دوم x=et اين معادله را با تغيير متغير مي توان به معادله مرتب :يب ثابت تبديل کرد زيراابا ضر

ا ضرايب خطي ه دوم همگن ب آه معادله حاصل يك معادله مرتب.است

2

2

2

2

2

( 1)

0

( ,

) 0

)

( 1) 0

&t t t t

x y axy bydt d tx e

D D y aDy b yd y dya b

dx e dt e e

yd

d

dt t

dx x− −

′′ ′+ + =

= = ⇒ = = −

− + + =

+ − + =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٠٦

مطلوبست حل معادله زير :مثال

2

22

2

2 3 2ln 3ln 2 31 2 1 2 1 2

4 6 0

ln2

5 6 0 5 6 03

t

t t x xg

x y xy y

x e t xDd y dy y D D DDdt dt

y c e c e c e c e c x c x

′′ ′− + =

⎧ = ⇒ =⎪

=⎧⎨− + = ⇒ − + = ⇒ ⎨⎪ =⎩⎩

= + = + = +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٠٧

ذکر شي :ت سيل ک ادالت ديفران راي مع اال را ب ايج ب ر –نت اويل معادله کشي براي مثال براي . مرتبه باال نيز مي توان تعميم داد

:داريم اويلر مرتبه سوم –

: مثال

[ ]

3 2 0( 1)( 2) ( 1) 0

x y ax y bxy cyD D D aD D bD c y

′′′ ′′ ′+ + + =

− − + − + + =

[ ]

3 2

2 4 2 41 2 3 1 2 3

4 8 8 0

ln( 1)( 2) 4 ( 1) 8 8 0 1, 2, 4

t

t t t

x y x y xy y

x e t xD D D D D D y D

y c e c e c e c x c x c x− −

′′′ ′′ ′+ − + =

⎧ = ⇒ =⎪⎨

− − + − − + = ⇒ = −⎪⎩= + + = + +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٠٨

بعد از اويلر غير همگن را نيز مي توان –معادله آشي :تذآرتغيير متغير مناسب تبديل به معادله با ضرايب غير همگن نمود

.پارامتر حل آردوآنرا به روش تغيير

مطلوبست حل معادله زير؟ : تمرينxexyyxyx 22 2−=−′+′′

Page 19: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٠٩

)ضرايب نامعين(روش ضرايب ثابت

اگر ، مالحظه شد همگن معادله غيردر

f(x) تابعي نمايي باشد آن گاه ypديديم آه قبال . باشد نيز نمايي مي

اگر

از اين مطلب استفاده آرده وروشي را به نام روش ضرايب ثابت

. بيان مي آنيم f(x)حاالت خاص در

)(xfbyyay =+′+′′

3( ) 32

x xpf x e y e= ⇒ =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١١٠

ريشه a صورتي آه تابع نمايي باشد در f(x)=Aeax اگر) ١

است Beaxنيز بصورت تابع نمايي yp نباشد آنگاهمفسرمعادله

.آيدمي بدست B گيري وجايگذاري درمعادله مقدار آه با مشتق

ريشه a صورتي آه تابع نمايي باشد در f(x)=Aeax اگر) ٢

نيز بصورت yp باشد آنگاه ام rبا تكرار مرتبه مفسرمعادله

گيري وجايگذاري درمعادله است آه با مشتق Bxreaxتابع نمايي

.آيدمي بدست B مقدار

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١١١

2مطلوبست حل معادله زير؟ :لمثا

2 2

2 21 2

2 2 22 2

2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2 2

2 2 2

2 2 2 2

4 4 34 4 0 ( 2) 0 2,2

2 2

2 4 4 4

2 8 4 4(2 2 )4 3

3 32 32 2

x

x xg

x xpx

p x x x xp

x x x x x

x x

x x xp

y y y eD D D Dy c e c xe

y Bxe Bx ey Bx e

y Be Bxe Bxe Bx e

Be Bxe Bx e Bxe Bx eBx e e

Be e B y x e

y c

′′ ′− + =

− + = ⇒ − = ⇒ =

= +

′⎧ = +⎪= ⇒ ⎨′′ = + + +⎪⎩

+ + − +

+ =

⇒ = ⇒ = ⇒ =

= 2 2 2 21 2

32

x x xe c xe x e+ +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١١٢

تابع چند جمله اي باشد آن اگر ) ٣

ولي . باشد اي مي گاه جواب خاص نيز تابعي چند جمله

اي است آه صفر درصورتي جواب همگن به صورت چند جمله

آنگاه بايد جواب ،باشد r ريشه معادله آمكي از مرتبه تكرار

يعني. ضرب آنيم xr خاص را در

.جواب خاص معادله غير همگن مي باشد

nn xAxAAxf +++= ...)( 10

0 1( ... )r np ny x B B x B x= + + +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١١٣

مطلوبست حل معادله زير؟ :مثال : حل

پس يكبار ريشه معادله آمكي است صفر چون

2

2

0 11 2 1 2

20 1 2

1 0

2 1 2 1 0

2

2 3

2 31 2

10 ( 0,1)

( )

2 5 11 36 2 0 , 1,3 5

3 13 15 3

3 15 3

x x xg

p

p

x

y y xD D Dy c e c e c c e

y x B B x B x

B BB B B B B

B

y x x x

y c c e x x x

× ×

′′ ′− = +

− = ⇒ = →

= + = +

= + +

− =⎧−⎪ − = ⇒ = − = − =⎨

⎪− =⎩

= − − −

= + − − −

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١١٤

باشد جواب خاص اگر ) ۴

باشد و آسينوس مي نيز بصورت مثلثاتي سينوس و معادله

از مفسرريشه مختلط محض معادله D=±i درصورتي آه

xjبايد جواب خصوصي را در دراين حالت ام باشد rمرتبه

:يعني .ضرب نمود

xAxAxf αα cossin)( 21 +=

1 2( sin cos )jpy x B x B xα α= +

Page 20: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١١٥

مطلوبست حل معادله زير؟ :مثال : حل2 ريشه مختلط محض معادله آمكي نيست a=0 چون

1 2

0 1

0 1 0 1

0 0 1 1

1 2

3sin1 0 1

sin cos

sin cos sin cos 3sin32 3 , 2 0 02

3 sin2

3 sin2

xg

p

p

x x

y y xD Dy c c e

y B x B x

B x B x B x B x x

B B B B

y x

y c x c e x−

′′ − =

− = ⇒ = ± →

= +

= +

− − − − =⎧⎪⎨− = ⇒ − − = ⇒ =⎪⎩

= −

= + −

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١١٦

اگر ،درمعادله غير همگن )۵

، yi(x)، هرگاه i=1, 2, …, n به ازاي هر باشد آنگاه يك جواب معادله غير همگن

معادله غير همگن، جوابي بصورت در آل، باشد، آنگاه

.دارد

)(...)()()( 21 xfxfxfxf n+++=

)(xfbyyay i=+′+′′

)(...)()( 21 xyxyxyy np +++=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١١٧

مطلوبست جواب خصوصي معادله زير؟ : المث

پس نيستند مفسرريشه معادله α=3 و α=0 چون

2 3

2

3 20 1 2 3

3 3 20 2 3

30 3

3 2 2 43 2 0 1, 2

73 2 2 32

9 2

x

xp

x xp p

xp

y y y x eD D D

y B e B B x B x

y B e B B x y e x x

y B e B

′′ ′− + = +

− + = ⇒ =

⎧ = + + +⎪⎪ ′ = + + ⇒ = + + +⎨⎪ ′′ = +⎪⎩

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١١٨

دستگاه معادالت ديفرانسيل: فصل سوم

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١١٩

دستگاه معادالت ديفرانسيل ك در اين فصل با توجه به آاربردهاي دستگاه معادالت ديفرانسيل در فيزي

و مكانيك و ديگر آاربردهاي آن به بررسي و مطالعه اين دستگاه ها مي .پردازيم مجموعه اي بيش از يك معادله ديفرانسيل همزمان را دستگاه :تعريف

.معادالت ديفرانسيل ناميم باشد ساده ترين دستگاه معادالت ديفرانسيل دستگاه دو معادله ديفرانسيل مي

:آه عبارت است از

.آه اين دستگاه قابل با اضافه تر شدن متغيرها قابل تعميم هست

2

2

2

2

( , , , ,..., ) 0

( , , , ,..., ) 0

n

n

m

m

dx d x d xf t xdt dt dtdy d y d yg t ydt dt dt

⎧=⎪⎪

⎨⎪ =⎪⎩

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٢٠

2 4 1 2

1 2

23

3 23

4

dx dy dxx y xt xdt dt dt

dx dy dyt yt xdt dt dt

dx xdx dtx y

dydt x tdy dty x

dzdt x y tdt

⎧ ⎧− + + = = −⎪ ⎪⎪ ⎪⎨ ⎨⎪ ⎪− = − = +⎪ ⎪⎩ ⎩

⎧ =⎪⎧ ⎪= +⎪⎪ ⎪ = +⎨ ⎨⎪ ⎪= +⎪ ⎪⎩ = + +⎪⎩

:هايي از انواع دستگاه معادالت ديفرانسيل مثال

Page 21: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٢١

حل دستگاه معادالت ديفرانسيل به روش روش آلي براي حل دستگاه معادالت، روشي موسوم

. مي باشدD يا اپراتور يا عملگر

، آنگاه با در اين روش فرض مي آنيم آه

جايگذاري عملگر دستگاه را به روش حذفي گوس حل مي

.با يك مثال اين روش را توضيح مي دهيم . آنيم

Ddtd=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٢٢

مطلوبست حل دستگاه زير؟ :مثال

: و جمع طرفين دستگاه داريم D+4 ومعادله دوم در Dبا ضرب معادله اول در

2

2 2

2 4 1 2 4 1

11

(2 1) ( 4) 1

1

(2 1) ( 4) (1) ( 4)( 1)(2 4 ) 0 ( ) 4 (1

(3 3

) 4

) 4 3

d Ddt

dx dyx y Dx x Dy ydt dt

dx dy Dx Dy ttdt dt

D x D y

Dx Dy t

D D x D Dx D D tD D D D x D t t D

D D x t

=

⎧ − + + =⎪ − + + =⎧⎪ ⎪⎯⎯⎯→ ⇒⎨ ⎨⎪ ⎪ − = −⎩⎪ − = −⎩

− + + =⎧⎪⎨⎪ − = −⎩

− + + = + + −

+ =

+ = + + − −

+

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٢٣

: مي باشد پس معادله باال معادله ديفرانسيل خطي مرتبه دوم با ضرايب ثابت غيرهمگن 2

1 2

1

21 1

1 1

2

2

2

1 2

3 3 0 3 ( 1) 0 0, 1

( )

2 2

3 3 4 3

2 76 6 3 4 3 ,3 3

2 73 3

2

(3 3

73

) 4 3

3

tg

p

p p p

p p

p

t

D D D D D

x c c e

x t A t A

x A t A t x A t A x A

x x t

A A t A t A A

x t t

x c c

D D x

t t

t

e

+ = ⇒ + = ⇒ = −

⎧ = +⎪⎨

= +⎪⎩′ ′′= + ⇒ = + ⇒ =

′′ ′+ = −

+ + = − ⇒ = = −

= −

= + + −

+ = −

o

o o o

o o o

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٢٤

2 2

22 2 3

21 2

22 3

1 1

4 7 1 413 3 3 3

1 4 1 4( )3 3 6 3

2 73 3

1 46 3

t t

t t

t

t

dx dy dy dxt tdt dt dt dtdy dyc e t t c e tdt dt

dy c e t dt y c e t t c

x c c e t t

y c e t t c

− −

− −

− = − ⇒ = − + ⇒

= − + − − + ⇒ = − + − ⇒

= − + − ⇒ = + − + ⇒

⎧ = + + −⎪⎪⎨⎪ = + − +⎪⎩

∫ ∫

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٢٥

براي حل دستگاه دو معادله ديفرانسيل D بعد از جايگذاري عملگر :تذآرتوان به جاي روش حذفي يا روش گوس از روابط زير استفاده نمود مي

1 1 1

2 2 2

1 1 1 1

2 2 2 2

1 1 1 1

2 2 2 2

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

,( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

f D x g D y h t

f D x g D y h t

h t g D h t f Dh t g D h t f D

x yf D g D f D g Df D g D f D g D

+ =⎧⎪⎨⎪ + =⎩

= =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٢٦

روش بيان شده يك روش آلي براي حل دستگاه معادالت

ديفرانسيل مي باشد ولي هميشه نياز به استفاده از اين روش

توان همانند حل دستگاه معادالت در رياضيات نيست و مي

عمومي، از روش هاي ابتكاري مختلف همانند جمع چند معادله

استفاده نمود براي اين . ..براي حذف پارمترها يا با جايگذاري و

.گردد منظور چند مثال ارائه مي

Page 22: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٢٧

مطلوبست حل دستگاه زير؟ : مثال

چنانكه مالحظه مي شود معادله اول معادله جداشدني است

: و اين معادله نيز معادله مرتبه اول خطي است پس

2 2 2

2 2

21

:21 1

2

2

(2 1) (2 1)

ln

2 2

t t c t t c t t

EQ t t t t

dx xt xdtdy yt xdt

dx dxx t t dtdt x

x t t c x e e e x c edy dyyt c e ty c edt dt

− + − −

− −

⎧ = −⎪⎪⎨⎪ = +⎪⎩

= − ⇒ = −

⇒ = − + ⇒ = = ⋅ ⇒ =

⎯⎯⎯→ = + ⇒ − =

∫ ∫

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٢٨

2

2 2 2

2 2

2

2 2

2 21 2

1 2

1 2 1 2

1

1 2

tdt tdt t t

t t t t

t t t t

t t

t t t

y e e c e dt c

y e c e e dt c

y e c e dt c y e c e c

x c e

y c e c e

− − − −

− −

− −

⎡ ⎤∫ ∫= ⋅ +⎢ ⎥⎣ ⎦⎡ ⎤= ⋅ +⎣ ⎦⎡ ⎤ ⎡ ⎤= + ⇒ = − + ⇒⎣ ⎦⎣ ⎦

⎧ =⎪⎨

= − +⎪⎩

∫∫

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٢٩

: مطلوبست حل دستگاه زير :مثال

باشد با مشتق گيري از معادالت دستگاه دو معادله مرتبه اول خطي با ضرايب ثابت مي طي با ضرايب ثابت دستگاه و استفاده از معادله دوم دستگاه آنرا به معادله مرتبه دوم خ

.تبديل مي آنيم آه با حل آن قبًال آشنا شده ايم

2 2dif from EQ1 fromEQ2

2 2

2 2from EQ1

2 2

3

3

3 3 3

3 3( 3 ) 6 8 0

dx x ydtdy y xdt

d x dx dy d x dx y xdt dt dt dt dt

d x dx dx d x dxx x xdt dt dt dt dt

⎧ = +⎪⎪⎨⎪ = +⎪⎩

⎯⎯⎯⎯→ = + ⎯⎯⎯⎯→ = + + ⇒

⎯⎯⎯⎯→ = + − + ⇒ − + = ⇒

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٣٠

2

2 41 2

2 4 2 41 2 1 2

2 41 2

2 41 2

2 41 2

6 8 0 6 8 0 2, 4

3 2 4 3 3

t t

t t t t

t t

t t

t t

x x x D D Dx c e c e

dxy x c e c e c e c edt

y c e c e

x c e c e

y c e c e

′′ ′− + = ⇒ − + = ⇒ =

= +

= − = + − −

= − +

⎧ = +⎪⎨

= − +⎪⎩

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٣١

همانطوري آه در دستگاه معمولي ممكن است دستگاه داراي :تذآرجواب منحصر بفرد و يا بي نهايت جواب و يا جواب نداشته باشند در

مثًال دستگاه . دستگاه معادالت ديفرانسيل نيز چنين مي باشد

.داراي بي نهايت جواب مي باشد

1 2

1 2

22

1 11

2

2 2 2

4 4 4

2& &...25

2 2

Dx Dx tDx Dx t

tx ctx ct tx c x c

− =⎧⎨ − =⎩

⎧⎧ = +⎪= +⎪ ⎪⎨ ⎨⎪ ⎪= = − +⎩ ⎪⎩

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٣٢

مطلوبست حل دستگاه معادالت ديفرانسيل زير؟ :تمرين

2 2

2 2

26

1) 3 2 2)

4

2 43)

3 0

t

t

dx xdx dydt x e

dy dt dtx tdt d x d y dx dy x y tdz dt dt dt dtx y tdt

dx dy x y edt dt

dx x ydt

⎧ =⎪ ⎧ + + − =⎪ ⎪⎪ ⎪= +⎨ ⎨⎪ ⎪ + + − + + =⎪ ⎪⎩= + +⎪⎩

⎧ + − − =⎪⎪⎨⎪ + + =⎪⎩

Page 23: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٣٣

گالن از يك محلول ١٠٠ دو مخزن هرآدام حاوي :تمرين ١٠ آيلوگرم و در مخزن دوم ٢٠در مخزن اول . شيميايي است

آب با t=0در لحظه . آيلوگرم از اين ماده شيميايي موجود است گالن در دقيقه به مخزن اول وارد مي شود و پس از ٢آهنگ

گالن در دقيقه به ٢مخلوط شدن با ماده شيميايي، با آهنگ مخزن دوم وارد شده، در آنجا هم پس از مخلوط شدن با همان آهنگ خارج مي شود، مطلوبست مقدار ماده شيميايي در هر

؟tمخزن در لحظه

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٣٤

تبديالت الپالس : فصل چهارم

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٣٥

در اين فصل مالحظه خواهيم آرد چگونه با به آار بردن تبديل

الپالس در مورد يك معادله ديفرانسيل با شرايط اوليه، مي توان

آن را به مسئله ساده تري تبديل آرده بطوري آه با وارون تبديل

الپالس جواب مسئله ابتدائي بدست مي آيد و همچنين مالحظه

خواهد شد آه روش هاي تغيير پارامتر و ضرايب ثابت را در

مورد حل معادالت ديفرانسيل غير همگن آه تابع طرف دوم

ناپيوسته باشد نمي توان بكار برد آه در اين حالت مي توان از

.تبديل الپالس استفاده آرد[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٣٦

تبديل الپالسرابطه اي آه به هر تبديل مفهوم تعميم يافته تابع مي باشد، يعني

از جمله . ، يك تبديل ناميمتابع ، تابع ديگري را نسبت دهدتبديالت مشهور تبديل مشتق و انتگرال آه معموًال با نماد زير

.بترتيب نشان مي دهيم

تعريف شده باشد تبديل الپالس (∞ ,0] بربازfفرض آنيم تابع f شود را به صورت زير تعريف و نمايش داده مي :

1) ( ( )) ( )

2) ( ) ( )

D f x F x

f x dx F x c

′=

= +∫

[ ]: L ( ) ( ) ( )sxs R f x F s e f x dx∞

−∀ ∈ = = ∫o

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٣٧

مطلوبست تبديل الپالس تابع زير؟ :مثال

2

( ) 1

1(1) ( ) lim lim

1 1 1lim( ) 0

( )

( ) ( )

1 1 1 1

bbsx sx sx

b b

sb

b

bsx sx

b

sx b sx sx sx

b b

f x

L F s e dx e dx es

e e ss s s

f x x

L x F s e xdx im xe dx

im xe e dx im xe es s s s

∞− − −

→∞ →∞

→∞

∞− −

→∞

∞− − − −

→+∞ →+∞

=

⎡ ⎤= = = = − =⎢ ⎥⎣ ⎦

= − + = ∀ >

=

= = ⋅ = =

⎡ ⎤ ⎡= − + = − −⎢ ⎥ ⎢⎣⎣ ⎦

∫ ∫

∫ ∫

oo o

o

o o

o

o

l

l l

2 2 2

1 1 1 1 1 0

b

sb sb

bim be e xe e s

s s s s s− −

→+∞

⎤⎥⎦

⎡ ⎤= − − + + = ∀ >⎢ ⎥⎣ ⎦

o

ol

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٣٨

1

0

1 2

1

( )

( )

1 1 1( ) ( ) ( ) (1)

!( ) 0

n

n sxn sx n sx n

n n

nn

f x x

x e nL x e x dx e x dxs s

n n n n nL x L x Ls s s s s s

nL x ss

∞ ∞∞−− − −

− −

+

=

= ⋅ = − + ⋅

− −= = = = ⋅ ⇒

= ∀ >

∫ ∫o o

L L

Page 24: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٣٩

1

2 2 2 2

2 2 2 2

1

! 1( ) ( )

(sin ) (sinh )

(cos ) (cosh )

sin 2sinh( ) ( ) ( ) ln( )

1 1( ) ln(1 )

n axn

t

nL x L es s a

a aL ax L axa s s a

s sL ax L axs a s a

kt k kt s kL tg Lt s t s k

eLt s

+

= =−

= =+ −

= =+ −

+= =

−= +

: تبديل الپالس انواع توابع مهم

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٤٠

خواص تبديل الپالسهر آدام با مثالي از اين خواص مي توان بسياري از تبديل الپالس توابع را پيدا آرد آه

]. گردد ارائه مي ] [ ] [ ][ ] [ ]2 2

2 5

1 1 2 2 1 1

2 6

2

1

2

2

cosh 3 2sin

1) ( ) ( ) ... (

4 cosh 3 2 sin 4 ...

5!cos , ( )( ) ( 2)

( si

) ( ) ...

2) ( ) ( )

3) ( ( )) ( 1) ( ( ))

n )

ax

nn n

n

x x

bx x

L c f x c f x c L f x c L f x

L e f x F s a

dL x f x L f xd

L x x e L x L x L e

s bL e ax L e xs b a s

L x x

s

⎡ ⎤ ⎡ ⎤− − = − − =⎣ ⎦ ⎣ ⎦

−⎡ ⎤ = =⎣ ⎦

+ + = + +

⎡ ⎤ = −⎣ ⎦

= −

− + +

= 2 2 2 2 2

2 2 22 2

2 2 2 2 3

1 2 2( )1 ( 1) ( 1)

1 6 2( sin ) ( 1) ( ( )) ( )1 ( 1)

d s sds s s s

d d sL x x L f xds ds s s

−− = − =

+ + +

−= − = =

+ +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٤١

[ ]

( ) 1 2 ( 2) ( 1)

2

2

2

1 1 1 1 1( ) ( ) ln(1 ) l

14) ( ) ( )

5) ( ) ( ) (0) (0) (0) (0)( ) ( ) (0)( ) (

n(1 )/

(sin ) :( ) sin ( ) 2s

) (0) (0)

in cos sin 2

n n n n n

at

n

sL f ax Fa a

L

e s aL Fat a a a s a a s

L xf x x f x x x x

y s L y s y s y sy yL y sL y yL y s L y

L

y sy

− − − −

=

′= − − − − −′ = −

′′ ′= − −

−= = + = +

′= ⇒ = =

L

[ ] 2 2 22

22

2( ) (sin ) sin (0) (sin )4

2(sin )( 4)

f x sL x sL xs

L xs s

′ = − ⇒ = ⇒+

=+

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٤٢

2 2

7 3

2 5

1) (5 12) 2) (3 3 ) 3) ( )

4) (sin ) 5) (cos ) 6) (sinh )

7) (cosh ) 8) ( sin 5 ) 9) ( cos 4 )

10) ( ) 11) ( cos )

x i x

x x

x

L x L e x L e

L x L x L x

L x L e x L e x

L e x L x x

α

α α

α

+ +

مطلوبست تبديل الپالس توابع زير؟ :تمرين

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٤٣

2 23 3

2 22 2

2 2 2 2 2 2

2! 1 10 121) (5 12) 5 ( ) 12 (1) 5 12

1 1 3 32) (3 3 ) 3 ( ) 3 ( ) 3 32 2

1 13, 4,5) ( )

( ) (cos sin ) (cos ) (sin )

(si

x x

i x

i x

L x L x Ls s s s

L e x L e L xs s s s

s i s i sL e is i s i s i s s s

L e L x i x L x iL x

L

α

α

α α αα α α α α αα α α α

+ = + = × + × = +

+ = + = × + × = +− −

+ += = × = = +

− − + + + += + = +

2 2 2 2

2 2 2 2

n ) , (cos )

1 1 1 16) (sinh ) ( ) ( ) ( ) ( )2 2 2

1 ( )2

x xx x

sx L xs s

e eL x L L e L es s

s ss s

α αα α

αα αα α

α αα α α

α α

−−

= =+ +− ⎡ ⎤= = − = −⎣ ⎦ − +

+ − += =

− −

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٤٤

2 2 2 2

7 32 2

2 56

2 2 2

2 2 2 2

1 1 17) (cosh ) ( ) ( ( ) ( )) ( )2 2

1 ( )2

5 38) ( sin 5 ) 9) ( cos 4 )( 7) 25 ( 3) 165!10) ( )

( 2)1 2 111) ( cos ) ( )

1 ( 1) ( 1)

x xx

x x

x

e eL x L L e L es s

s s ss s

sL e x L e xs s

L e xs

d s s s sL x xds s s s

α αα αα

α αα α

α α

−−

−= = + = +

− ++ + −

= =− −

−= =

− + − +

=+

+ − −= − = − =

+ + + 2

Page 25: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٤٥

معكوس تبديل الپالس در اين . وجود داشته باشد f(x)فرض آنيم تبديل الپالس تابع

وجود F(s)صورت واضح است آه تابع منحصر بفردي مانند F(s)= L[f(x)]دارد آه

فرض آنيد تابعي . اينك عكس اين حالت را در نظر مي گيريم به f(x)آيا تابع منحصر بفردي مانند . داده شده باشدF(s)مانند

F(s)= L[f(x)]: گونه اي وجود دارد آه داشته باشيم : اگر پاسخ سؤال مثبت باشد مي نويسيم

f(x)=L-1(F(s)) f(x) تابع معكوس تبديل الپالس يا وارون را F(s)ناميم .

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٤٦

خواص معكوس تبديل الپالس 1 1 1

1 1 2 2

1 1

1 1 1 23 2 3 2

1 1 12 4 2

1 1 2 2

12

1

1

5 1( )

1) ( ( ) (

5 ( ) 5 1 5

4 6

) ...) ( ( )) ( (

2! 2( ) 2 ( ) 3 ( ) 2 3sin 24 4

2 1 1( ) ? ( ) ? ( ) ?3

1( ) (4

)) ...

2) ( ( )) ( )

5

a x

L Ls s

L L L x xs s s

L c F s c F s c L F s c L F s

L F s a

s

L L Ls s s s

e f

L

xs

Ls s

− −

− − −

− − −

− −

= = × =

+ =

+ + = + +

+ =+ +

= = =+ + +

=+ +

− =

22 2

1 1 14 2

1 ) sin( 2) 1

6 12 3( ) ? ( ) ? ( ) ?( 2) 9 ( 3) 2 5

xe xs

sL L Ls s s s

− − −

= ⋅− +

+= = =

+ + + + +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٤٧

: مطلوبست معكوس تبديل الپالس توابع زير :تمرين

1 12

1 14 2

1 14 2

2 11) ( ) 2) ( )3

1 63) ( ) 4) ( )( 2) 9

12 35) ( ) 6) ( )( 3) 2 5

L Ls s s

L Ls s s

sL Ls s s

− −

− −

− −

+ +

+ + +

++ + +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٤٨

1 1 3

1 1 1 1 12

1 1 1 1 14 2 2 2 2 2 2 2

1 12 2

2 11) ( ) 2 ( ) 23 ( 3)

1 1 1 1 1 12) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1( 1) 1 ( 1)

1 1 1 1 1 13) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( 1) 1 1)

sin

6 34) ( ) 2 (( 2) 9 ( 2) 3

x

x

L L es s

L L L L L es s s s s s s s

L L L L Ls s s s s s s s

x x

L Ls s

− − −

− − − − − −

− − − − −

− −

= =+ − −

−= = + = − = −

+ + + − −

−= = + = −

+ + + += −

=+ + + +

2

1 1 3 34 4

1 1 1 12 2 2 2 2 2 2

) 2 sin 3

12 3!5) ( ) 2 ( ) 2( 3) ( 3)

3 1 2 1 26) ( ) ( ) ( ) ( )2 5 ( 1) 2 ( 1) 2 ( 1) 2

cos 2 sin 2

x

x

x x

e x

L L e xs s

s s sL L L Ls s s s s

e x e x

− − −

− − − −

− −

= ⋅

= = ⋅+ +

+ + + += = + =

+ + − + + + + +

= +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٤٩

حل معادله ديفرانسيل به روش الپالساينك آماده هستيم نشان دهيم آه چگونه مي توان جواب يك مسئله با مقدار اوليه دشوار را به آمك تبديالت الپالس، به مسئله ديگري با شرايط ساده تر تبديل آرده و سپس با استفاده از

. وارون تبديل الپالس جواب معادله ديفرانسيل را بدست آورد روش آار را با چند مثال در مورد حل معادالت ديفرانسيل

. توضيح مي دهيم

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٥٠

مطلوبست حل معادله زير؟ :مثال

1 1

1 1

(0) 1( ) ( ) ( ) ( ) ( )

1( ) (0) ( ) ( ) ( ) 1 ( )1

1 1 1( 1) ( ) 1 ( )1 1 1 ( 1)( 1)

1 12 2( ) ( )

( 1)( 1) 1 11 1 1 1 1( ) ( )2 1 2 1 2

x

x x

x

x

y y e yL y y L e L y L y L e

sL y y L y L e sL y L ys

s s ss L y L ys s s s s

sy L Ls s s s

y L L y es s

− −

− −

′ + = =

′ ′+ = ⇒ + = ⇒

− + = ⇒ − + = ⇒−

+ −+ = + = = ⇒ =

− − − − +

⇒ = = + ⇒− + − +

= + ⇒ =− +

1 cosh2

xe x−+ =

Page 26: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٥١

مطلوبست حل معادله زير؟ :مثال

22

2 22 2

2 2 2 2

12 2 2

4 4 (0) 1, (0) 5( 4 ) (4 ) ( ) 4 ( ) 4 ( )

4( ) (0) (0) 4 ( )

4 4( ) 5 4 ( ) ( 4) ( ) 5

5 1 1( )4 4 4

4 1( ) cos 2 2sin 24 4

y y x y yL y y L x L y L y L x

s L y sy y L ys

s L y s L y s L y ss s

sL ys s s s

sy L x x xs s s

′′ ′+ = = =′′ ′′+ = ⇒ + = ⇒

′− − + = ⇒

− − + = ⇒ + = + +

⇒ = + + − ⇒+ + +

⇒ = + + = + ++ +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٥٢

مطلوبست حل معادالت زير؟:تمرين

1) 2 (0) 2

2) 2 5 3 sin (0) 0 , (0) 3

3) 2 3 (0) 4 , (0) 2

x

x

x

y y e y

y y y e x y y

y y y xe y y

′ + = =

′′ ′ ′+ + = = =

′′ ′ ′+ + = = =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٥٣

1

1 1 1 2

1) 2 (0) 2( 2 ) ( ) ( ) 2 ( ) ( )

1 2 3( ) (0) 2 ( ) ( ) ( 2) ( ) 21 1

2 3 2 3( ) ( )( 1)( 2) ( 1)( 2)

1 1 1 1( ) ( ) ( )1 2 1 2

x

x x

x

x x

y y e yL y y L e L y L y L e

ssL y y L y L e s L ys s

s sL y y Ls s s s

y L y L L y e es s s s

− −

− − − − −

′ + = =

′ ′+ = ⇒ + = ⇒

+− + = ⇒ + = + =

+ +

+ +⇒ = ⇒ = ⇒

+ + + +

= + ⇒ = + ⇒ = ++ + + +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٥٤

[ ]2

2

22

2

2 2

2) 2 5 3 sin (0) 0 , (0) 3( 2 5 ) (3 sin )( ) 2 ( ) 5 ( ) 3 ( sin )

( ) (0) (0) 2 ( ) (0) 5 ( )3

(1 ) 13( 2 5) ( ) 3

(1 ) 13( 2 3)( )

((1 ) 1) ((1 )

x

x

x

y y y e x y yL y y y L e xL y L y L y L e xs L y sy y sL y y L y

s

s s L ys

s sL ys s

′′ ′ ′+ + = = =

′′ ′+ + = ⇒

′′ ′+ + = ⇒

′− − + − +

= ⇒+ +

+ + − = ⇒+ +

+ +=

+ + + + +

2 2

4)1 2( ) sin 2 sin 2

((1 ) 1) ((1 ) 4)x xL y e x e x

s s− −

⇒ = + = ++ + + +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٥٥

[ ]22

22

22

3) 2 3 (0) 4 , (0) 2( 2 5 ) (3 ) ( ) 2 ( ) 5 ( )

3 ( sin )3( ) (0) (0) 2 ( ) (0) ( )

(1 )3( ) 4 2 2 ( ) 8 ( )

(1 )3(1 2 1) ( ) 4 10 (1 ) (

(1 )

x

x

x

y y y xe y yL y y y L xe L y L y L y

L e x

s L y sy y sL y y L ys

s L y s sL y L ys

s L y s s L ys

′′ ′ ′+ + = = =

′′ ′ ′′ ′+ + = ⇒ + +

= ⇒

′− − + − + = ⇒+

− − + − + = ⇒+

+ + = + + ⇒ ++ 2

4 2 4 2

34 2

3) 4 10(1 )

3 4 10 3 4(1 ) 6( )(1 ) (1 ) (1 ) (1 )

3 4 6 1 6 4(1 ) (1 ) (1 ) 2

x x x

ss

s sL ys s s s

y x e xe es s s

− − −

= + ++

+ + += + = +

+ + + +

= + + ⇒ = + ++ + +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٥٦

و هر دو به G(s)=L[g(x)] و F(s)=L[f(x)]اگر :قضيه موجود باشد آنگاه s>0ازاي

H(x)= F(s)G(s)= L[h(x)]

که در آن

معروف است و آن را با gوfکنولوسيون توابع بهhتابع

h=f * g نشان مي دهيم.

: مي توان نشان داد

h=f * g = g * f

0( ) ( ) ( )

xh x f x u g u du= − ←⎯⎯∫

Page 27: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٥٧

دا با بکار بردن :مثال ر را پي ابع زي ديل معکوس ت کنولوسيون تبمي کنيم؟

2 2 2

2 2 2

2 2 2

0

2

( )( )

1( ) ( )

1( ) , (sin )

( ) ( ) ( ) sin

sin( )

x

aH ss s a

aF s G s H F Gs s a

aL x L axs s a

h x f g x x u audu

ax axh xa

=+

= = ⇒ = ×+

= = ⇒+

= ∗ = − ⇒

−=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٥٨

: اين تابع را به صورت زير تعريف و نمايش مي دهيم:تابع گاما

. همگراستn>0آه انتگرال فوق به ازاء

: اين تابع داراي خواص زير مي باشد

1

0( ) n xn x e dx

∞ − −Γ = ∫

1

( 1) ( ) ( 1) ! ; 0,1, 2,...1(1) 1 ( )2

( 1)( )nn

n n n n n n

nL ts

π

+

Γ + = Γ Γ + = =

Γ = Γ =

Γ +=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٥٩

مطلوبست تبديل الپالس زير؟ :مثال

مطلوبست تبديل الپالس زير؟ :تمرين

1/ 23/ 2 3/ 2 3/ 2

4 3/ 2

(3/ 2) 1 (1/ 2) 1( )2 2 2

( 2 6)??

L ts s s s s

L t t

π πΓ Γ= = ⋅ = =

− +

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٦٠

حل معادله ديفرانسيل : فصل پنجم

به روش سري ها

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٦١

حل معادله ديفرانسيل به روش هاي سريها درفصل قبل با حل معادالت ديفرانسيل خطي مرتبه دوم با ضرايب ثابت، درچند حالت خاص با ضرايب متغير آشنا

دراين فصل با يكي از موثرترين روش حل براي . شديم، يعني، از )وباالتر(معادالت ديفرانسيل خطي مرتبه دوم

دردرس رياضيات . سريهاي تواني استفاده مي آنيم براي اينكه مطالب . عمومي با مفهوم سري آشنا شده ايم

اين فصل رابهتر درك آنيم، بحث را با مرور مختصري . برسريهاي تواني شروع مي آنيم

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٦٢

سري توانيسري به صورت

آه درآن يا

متغير است را سري تواني به مرآز اعداد ثابتي بوده و .ناميم

...)(...)()( 02

02010 +−++−+−+ nn xxaxxaxxaa

∑∞

=

−0

0 )(n

nn xxa,...,...,,,, 2100 naaaax

x0x

Page 28: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٦٣

سري تواني ممكن است آه دريكي از سه حالت زير صدق :آند.همگرا باشد تنها به ازاي -١مطلقا همگرا باشد، دريك همسايگي به ازاي هر -٢

واگر همگرا وبراي يعني براي . را شعاع همگرايي سري ناميم باشد عدد

.مطلقا همگرا باشد به ازاي هر -٣را آه سري تواني همگرا است، بازه مجموعه مقادير

. همگرايي سري مي ناميم)فاصله(

0xx =x0x

Rxx <− 0Rxx >− 0

Rxx

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٦٤

همگرا باشد آنگاه اگر سري به ازاي :تذآربرابر است با بازه همگرايي

دردرس رياضي عمومي با پيدا آردن بازه همگرايي سري تواني آشنا شده ايم آه شعاع همگرايي عبارت است از

. حد باال نامتناهي باشد آنگاه ممكن است

Rxx ±= 0

∞=R

RxxRx +≤≤− 00

1

lim n

nn

aRa→∞

+

=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٦٥

بازه همگرايي سري تواني :مثال. را پيدا آنيد

چون

. همگرا است بنابراين ، سري تنها به ازاي

∑∞

=0

!n

nxn

01

1lim)!1(

!lim =+

=+

=∞→∞→ nn

nRnn

0=x

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٦٦

بازه همگرايي سري تواني :مثال

.را پيدا آنيدچون

جا مهپس سري روي مجموعه اعداد حقيقي، يعني در ه

.همگرا است

∑∞

=

0 !)1(2

n

nn

nx

+∞=+

=

+

=∞→

+∞→ 21

)!1(2

!2

lim lim1

n

n

nRn

n

n

n

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٦٧

بازه همگرايي سري تواني :مثال

. را پيدا آنيدچون

هايي آه پس، سري روي مجموعه

. همگرا است

∑∞

=

−+1

)2(1n

nxn

n

1)1)(1(

)2(

211lim lim =

+++

=

+++=

∞→∞→ nnnn

nnn

n

Rnn

x12 <−x

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٦٨

آه درآن اگر سري تواني بربازه :قضيهيك عدد ثابت مثبت است همگرا باشد، آنگاه سري تواني

را تعريف مي آند آه به ازاي هر تابعي مانند . دربازه پيوسته است

به طور طبيعي اين سوال مطرح مي شود آه به آدام :تذآر. تابع پيوسته همگرا است

. پاسخ دادن به اين سوال درحالت آلي آسان نيست

Rxx <− 0R

)(xfx

Page 29: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٦٩

به صورت زير توسط يك سري تواني تعريف اگر :قضيهشده باشد،

آنگاه مي توان از سري باال جمله به جمله مشتق گيري آرد

: وهمين طور انتگرال گرفت يعني

آه

)(xf

∑∞

=

−=0

0 )()(n

nn xxaxf Rxx <− 0

∑∞

=

−−=′1

10 )()(

n

nn xxnaxf

∑∫∞

=

+−+

=0

10 )(

1)(

n

nnb

a

xxnadxxf ),(, 00 RxRxba +−∈

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٧٠

: فرض آنيم :قضيه

آن گاه : داريمبه ازاي هر عدد حقيقي ) الف

) ج:آه درآن

∑∞

=

−=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 ...

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٧١

:با انتقال انديس مي توان نشان داد آه :تذآر

واحد از انديس جمع سري بعبارت ديگر، با آم آردن هاي داخل عالمت واحد به همه واضافه آردن

.سري، دو سري مساوي به دست مي آيد درآار آردن با سريهاي تواني با مرآزبسط -١٢٫١٫٣: تذآر

مخالف با صفر، غالبا به آار بردن تغيير متغير : يعني . مفيد است

∑ ∑∞

=

=+

− −=−kn n

nkn

knn xxaxxa

000 )()(

kkn∑

0x0xxz −=

∑ ∑∞

=

=

=−0 0

0 )(n n

nn

nn zaxxa

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٧٢

فرض آنيم سري : قضيه

باشد، همگرا به تابع با براي بسادگي نشان داده مي شود آه

آنگاهودرحالت خاص اگر

∑∞

=

−0

0 )(n

nn xxa

Rxx <− 00>R)(xf

,...2,1,0,!

)( 0)(

== nn

xfan

n

00 =x

,...2,1,0,!

)0()(

== nn

fan

n

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٧٣

سري را : تعريف

وسري را ، حول نقطه ر لبسط سري تي

. حول نقطه صفر مي ناميم بسط ماك لورن

∑∞

=

−=0

00

)(

)(!

)()(n

nn

xxn

xfxf

)(xf0x

∑∞

=

=0

)(

)(!

)0()(n

nn

xn

fxf

)(xf

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٧٤

اگر سري : تعريف

به دربازه به ازاي هر

درنقطه همگرا باشد مي گوييم

. تحليلي است

∑∞

=

−0

00

)(

)(!

)(n

nn

xxn

xf

x),( 00 RxRx +−)(xf

f0x

Page 30: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٧٥

: بسط سري ماك لورن برخي توابع عبارت است از :مثال

آه ) الف

آه ) ب

آه ) ج

∑∞

∞=

=n

nx

nxe

!∞<x

∞<x

∞<x

∑∞

=

−=

0

2

)!2()1(cos

n

nn

nxx

∑∞

=

+

+−

=0

12

)!12()1(sin

n

nn

nxx

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٧٦

آه ) د

آه ) ه

آه ) و

1x <

∞<x

∞<x

0

11

n

nx

x

=

=− ∑

∑∞

=

+

+=

0

12

)!12(sinh

n

n

nxx

∑∞

=

=0

2

)!2(cosh

n

n

nxx

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٧٧

نقاط معمولي ومنفرد

براي معادله ) عادي(را يك نقطه معمولي نقطه : تعريفام ديفرانسيل خطي مرتبه

. تحليلي باشند در و مي گويم هرگاه ضرايب

معادله )غير عادي(نقطه اي را آه معمولي نباشد نقطه منفرد . مي ناميم

0xn

)()()(...)( 01)1(

1)( xgyxfyxfyxfy n

nn =+′+++ −

( )if x)(xg0x

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٧٨

نقاط منفرد معادله ديفرانسيل:مثال

. را پيدا آنيدبصورت ضريب معادله را با تقسيم بر : حل

:مشتق باال ترين برابر يك مي آنيم يعني

بديهي است آه همه ضرايب اين معادله درهمه نقاط به جز پس . تحليلي مي باشند و و نقاط . نقاط منفرد وهمه نقاط ديگر نقاط معمولي معادله هستندآنها

0)1()1()1( 23 =−+′++′′− yxyxxyxx

)1( 23 −xx

0)1(

1)1(

132 =

++′

−+′′ y

xxy

xxy

0=x1=x1−=x

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٧٩

اگر هريك از توابع : قضيه

تحليلي باشند، آن گاه يك جواب منحصر به فرد درنقطه شرط تحليلي است ودر وجود دارد آه در مانند اوليه

توسط سري ديفرانسيل يعني هر جواب معادله . صدق مي آند

.بيان مي شود هزدربا تيلر خود درنقطه

011 ,,...,, fffg n−

0x)(xy0xn

10)1(

1000 )(,...,)(,)( −− ==′= n

n axyaxyaxy

0xI

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٨٠

دريك (جواب هاي سري معادالت ديفرانسيل)نقطه معمولي

را با پيدا آردن معادله ديفرانسيل مرتبه اول :مثال . جواب بصورت سري مك لورن حل مي آنيم

فرض : حل

آه

:پس بايد چون

yy =′

∑∞

=

++++==0

10 .......n

nn

nn xaxaaxay

RxR <> ,01 1

1 21

2 ... ...n nn n

ny na x a a x na x

∞− −

=

′ = = + + + +∑

yy =′∑ ∑∞

=

=

− =1 0

1

n n

nn

nn xaxna

Page 31: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٨١

وبا حل آردن دستگاه از باال به پايين :آهنتيجه مي شود

ويارابطه بازگشتي

آه به دست مي آوريم،

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

=+

===

=

+

M

M

nn aan

aaaaaa

aa

1

34

23

12

01

)1(

432

0 0 01 0 2 3, , ,..., ,...

2! 3! !na a aa a a a a

n= = = =

11 +=+ n

aa nn

!0

naan =

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٨٢

حال با جايگذاري ضرايب باال در

: داريم

پارامتر مي باشد دقت آنيم آه جواب باال همان آه جوابي است آه از روش هاي قبلي بدست مي آيد يعني

. جواب معادله جداشدني باال است

∑∞

=

=0n

nn xay

∑ ∑∞

=

=

==0 0

00

!!n n

nn

nxax

nay

0a

xeay 0=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٨٣

بسط تيلر جواب هاي معادله :مثال

.پيدا آنيدرا درنقطه معمولي استفاده مي آنيم براي سادگي از تغيير متغير : حل

:مي باشد وداريم با دراين صورت متناظر

بنابراين با جايگذاري ، معادله ديفرانسيل تبديل به معادله

مي شود چون همه ضرايب چند جمله اي هستند

0)1(4)1( 2 =−−′−+′′ yxyxy1=x

1−= xt1=x0=t

2

2

2

2

)()(dt

yddxdt

dtdy

dtd

dtdy

dxd

dxyd

dtdy

dxdt

dtdy

dxdy

===

==

0422

2

=−+ tydtdyt

dtyd

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٨٤

، پس بازه همگرايي سريهاي جواب معادله برابر با است، بازه همگرايي سريهاي جواب

سري . است معادله اصلي نيز برابر باتواني جواب را بصورت سري ماك لورن

: پس. درنظر مي گيريم

: با قرار دادن سريهاي باال درمعادله ديفرانسيل ثانويه داريم

+∞<<∞− t+∞<<∞− x

n

nn

nn tatatataay ∑

=

=+++++=0

2210 ......

1

1

121 ......2 −

=

− ∑=++++= n

nn

nn tnatnataa

dtdy

2

2

222

2

)1(...)1(...2 −∞

=

− ∑ −=+−++= n

nn

nn tanntanna

dtyd

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٨٥

∑ ∑∑∞

=

=

++−∞

=

=−+−1 0

112

204)1(

n n

nn

nn

n

nn tatnatann

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

=−−+−

=−+×=−+×=−+×

=−+×=−×

=

−−

M

M

04)3()1(

044670435604245

04340423

02

33

447

336

225

114

03

2

nnn aanann

aaaaaaaaa

aaaaa

a

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٨٦

: درنتيجه

چنانکه مالحظه مي شود همه ستون هاي سوم وستون دوم بغير اولين جمله بقيه صفراند تنها ستون اول ناصفرمي

: است بنابراينباشدوبرحسب

234,

343,0 0

31

42 ×=

×==

aaaaa

23564,0,0 0

675 ×××===

aaaa

23568942,0,0 0

9108 ××××××

===aaaa

2356891112245,0,0 0

121311 ×××××××××

===aaaa

0a

Page 32: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٨٧

33333 )13(3)73(

)13(3)433(

−− −−−

=−−−−

= nn annna

nnna

03 2)...43)(13()3)...(33(34)1(258)...103)(73( a

nnnnnna

n

n ×−−×−−××××−−

3

3

2 5 8 ... (3 10)(3 7) ( 1) 43 ( ( 1)( 2).... (2 1)2 5 ... (3 4) (3 1)

( 1) 43 . ! (3 4)(3 1)

n

n n

n

n n

n nan n n n n

an n n

× × × × − − × − ×=

− − × × × × × − × −

− ×=

× − −

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٨٨

2 3 4 5 60 1 0 1 0

7 8 9 10 110

110

4 3 40 03 2 4 3 6 5 3 22 40 0 0 0

9 8 6 5 3 22 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( ) (14 3 6 5 3 2

2 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

= + + + + +× × ×

× × ×+ +

× × × × × × × × × × × ×−

+ +− −

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٨٩

ويا

: داريم با قرار دادن

جواب عمومي معادله ديفرانسيل داده شده به ازاي هر . مي باشد

))13)(43(!.3

4)1(1()41(

1

30

41 ∑

= −−×−

+++=n

nn

n

tnnn

attay

1−= xt

∑∞

=

−−−

×−++−−−=

1

30

41 ))1(

)13)(43(!.34)1(1())1(

41)1(()(

n

nn

n

xnnn

axxaxy

x

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٩٠

ممکن است رابطه بازگشتي بر حسب جمله عمومي :تذکريا بسادگي نتوان پيدا کرد در چنين حالتي امکان پذير نباشد

. پيدا نمي کنيم"جمله عمومي را معموال معادله ديفرانسيل خطي مرتبه دوم

لژاندر عدد ثابتي است به معادله ديفرانسيل که در آن

يک نقطه مالحظه مي شود که نقطه .موسوم است : معمولي معادله است بنابراين داراي جوابي بصورت

.همگراست است که حداقل براي

2(1 ) 2 ( 1) 0x y xy p p y′′ ′− − + + =p

00 =x

∑∞

=

−=1

1

n

nnxay

1|| <x

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٩١

: که با جايگذاري در معادله داريم

: با تغيير انديس داريم

∑ ∑ ∑∞

=

=

=

−− =++−−−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

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٩٢

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 an n

n n n p p an n

n p n p an np n n p a n

n n

+

− + − +=

+ −

− + − −=

+ +

− + −=

+ +− + +

= − ≥+ +

:ورابطه بازگشتي

:نتيجه مي شود که

Page 33: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٩٣

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(

appppppappa

appppppappa

appppappa

appppappa

appa

appa

+++−−−−=

×+−

−=

+++−−−=

×+−

−=

++−−=

×+−

−=

++−=

×+−

−=

+−−=

+−= : که با جايگذاري در معادله داريم

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٩٤

: با قرار دادن اين ضرايب در سري داريم

عدد صحيح نباشد همگراست واگر آه براي شعاع همگرايي هر دو سري داخل پرانتز برابر با يک

توابع تعريف شده در جواب سري مشهور به توابع .است در حالت خاص .لژاندر مي باشد که توابع متعالي هستند

.جواب سري ها ممکن است متناهي باشد

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

+++−−−−

++−−+

+−−+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

+++−−−

++−+

+−=

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++−

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−−+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +−++=

L

L

L

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(

xppppppxppppxppxa

xppppppxppppxppay

xappppxappxappxaay

1|| <x

p

p

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٩٥

نقاط منفردمنظم معادالت ديفرانسيل خطي مرتبه دوم يك نقطه منفرد معادله آه نقطه فرض کنيم

ديفرانسيل خطي همگن

درصورتي آه اگر معادله را بصورت باشد

را نقطه ،تحليلي باشنددر وبنويسيمد را نتحليلي نباش ناميم واگر منفرد منظمنقطه . منفرد غير منظم مي گوييم نقطه

0x0)()( 01 =+′+′′ yxfyxfy

0)()()()( 02

0 =+′−+′′− yxqyxpxxyxx

)(),( xpxq0x)(),( xpxq

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٩٦

نوع نقاط منفرد معادله ديفرانسيل :مثال

.را پيدا آنيد، معادله باال به با تقسيم دو طرف معادله در : حل

صورت

: در مي آيد مشاهده مي آنيم آه نقاط منفرد عبارت است از :داريم با ضرب معادله باال در

پس

021)1( =−′+′′− yyx

yx

1−x0

12

)1(1

=−

−′−

+′′ yx

yxx

y

0,1 == xx2x0

12

11 2

2 =−

−′−

+′′ yx

xyx

xyx

11)(,

12)(

2

−=

−−

=x

xpx

xxq

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٩٧

يك نقطه منفرد پس . تحليلي اندآه هر دو در ضرب درراحال اگر طرفين معادله . منظم است: آنيم داريم

درآه ، هردو

تحليلي اند.يك نقطه منفرد منظم استپس

0=x0=x2)1( −x

01

)1(21)1( 2 =−

−′−

+′′− yxyx

xyx

xxpxxq 1)(),1(2)( =−−=1=x

1=x

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٩٨

١٩٨

معادله لژاندر :مثال

. را به صورت زير مي نويسيم

نقاط منفرد معادله اند آه و روشن است آه

: ضرب مي آنيم داريم را دراگر طرفين معادله

0)1(2)1( 2 =++′−′′− yppyxyx

01

)1(1

222 =

−+

+′−

−′′ yx

ppyxxy

1=x1−=x2)1( −x

01

)1)(1()1(

)1(2)1( 2 =+

−+−′

+−

+′′− yx

xppyx

xxyx

Page 34: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com١٩٩

: آنگاههردو در و

. يك نقطه منفرد منظم معادله است تحليلي اند پس : ضرب آنيم داريم حال اگر طرفين معادله را در

هردو در و آه

يك نقطه منفرد منظم معادله تحليلي اند پس . است

)1()1(2)(

+−

=x

xxxp1

)1)(1()(+

−+−=

xxppxq1=x

1=x2)1( +x

01

)1)(1()1(

)1(2)1( 2 =−

++−′

−+

+′′+ yx

xppyx

xxyx

)1()1(2)(

−+

=x

xxxp1

)1)(1()(−

++−=

xxppxq

1−=x 1−=x

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٠٠

معادله ديفرانسيل خطي :مثال

معروف است از مرتبه ) Bessel( را که به معادله بسلعدد ثابت نا صفر در نظر مي گيريم در اين معادله که مي باشد با نوشتن معادله بصورت

نقطه منفرد معادله مي باشد وبا مالحظه مي شود که درنقطه که توجه به توابع

نقطه منفرد ومنظم تحليلي اند پس . معادله است

0)( 222 =−+′+′′ ypxyxyxp

p

012

22

=−

+′+′′ yx

pxyx

y

0=x

0=x22)(,1)( pxxqxp −==

0=x

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٠١

سري بصورت :تعريف

عددي حقيقي ويا مختلط است به سري که در آن

. مشهور است ) frobenius( فروبنيوس

0 00

00

( ) ( )

( )

s nn

n

n sn

n

y x x a x x

a x x

=

∞+

=

= − −

= −

∑s

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٠٢

يک نقطه منفرد منظم معادله مرتبه دوم اگر:تذکر

خطي باشد ثابت مي شود که معادله داراي يک وگاهي دو

. استجواب بصورت سري فروبنيوس با

عددي حقيقي است در اينجا

. اين روش را با ارائه چند مثال توضيح مي دهيم

0xx =

00 ≠a

s

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٠٣

معادله ديفرانسيل :مثال

نقطه منفرد منظم را در نظر مي گيريم واضح است که معادله است جواب سري فروبنيوس

:را در نظر مي گيريم بنابراين

: با جايگذاري در معادله ديفرانسيل نتيجه مي شود

0)12(2 2 =−′++′′ yyxxyx00 =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

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٠٤

: و يا

: با تغيير انديس داريم

∑ ∑ ∑ ∑∞

=

=

=

=

+++++ =−++++−++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

Page 35: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٠٥

: و يا

: پس چون فرض بر آن است که

اين معادله را معادله شاخص و ريشه هاي آن را توان شاخص

توان هاي پس. معادله ديفرانسيل در نقطه منفرد منظم ناميم

شاخص معادله ديفرانسيل در نقطه منفرد منظم هستند

( ) [ ]∑ =−++−++−+++−+− +− 0)1(21)()1)((21)1(2 10

snnn

s xasnasnsnsnxasss

00 ≠a

012012201)1(2

2

2

=−−

=−+−

=−+−

ssssssss

1,21

=−= ss

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٠٦

ها در ضرايب حال به ازاي هر کدام از مقادير : رابطه بازگشتي

: و يا

. صدق مي کند

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

snsnsn

nn

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٠٧

:رابطه باال نتيجه مي دهد که اگر ) الف

1=s

0

023

012

01

1

)32(975)2(

975)2)(2)(2(

92

75)2)(2(

72

52

1,32

2

an

a

aaa

aaa

aa

nan

a

n

n

nn

+××××−

=

××−−−

=−

=

×−−

=−

=

−=

≥+

−= −

L

M

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٠٨

: آنگاه اگر ) ب

با

:پس

21

−=s

1111

22

1)21(22

2−−−

−=

−=

+−+

−= nnnn a

na

na

na 1≥n

01

023

012

001

!)1(1

32)1)(1)(1(

31

2)1)(1(

21

11

an

an

a

aaa

aaa

aaa

n

nn−

=−=

×−−−

=−=

−−=−=

−=−

=

M

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢٠٩

: در نتيجه دو جواب سري فروبينوس عبارت است از

در بازه بدليل و دو تابع : مستقل خطي وهمگرا هستند پس

. جواب عمومي معادله ديفرانسيل است

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+×××−

++××

−+

×−

+−

+= LL

L nn

xn

xxxxy)32(75

)2(975

)2(75)2(

521 3

32

2

1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−++

−+

−+−=

−LL n

n

xn

xxxxy!)1(

!3)1(

!2)1(1 3

32

221

2

12 , yy21

−x( )∞+,0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+×××

−= ∑∑

=

−∞

= 0

21

20

1 !)1(

)32(75)2(

n

nn

n

nn

xn

xcxn

xcyL

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢١٠

.حالتي آه معادله شاخص داراي ريشه هاي برابر است درادامه بحث خود معادالتي را مورد بررسي قرار مي : تذکر

در اين حالت .استدهيم که داراي يک نقطه منفرد در معادله به صورت

تحليلي دردر مي آيد،که در آن همچنانکه قبال مشاهده کرديم،اين محدوديت از کليت .هستند

نقطه زيرابا تغيير متغير بحث نمي کاهد، .را به صفر تبديل مي کندمنفردمنظم

0=x0)()(2 =+′+′′ yxqyxxpyx

)(),( xpxq0=x

0xxt −=0x

Page 36: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢١١

حالت کليبررسي -ديفرانسيل مرتبه دوم معادله

در نقطه منفردمنظم باشد فرض . را در نظرمي گيريم

تحليلي هستند،در نتيجه به اين صورت در:، داريم ازاي

:تابعي بصورتو

0)()(2 =+′+′′ yxqyxxpyx0=x

)(),( xpxqRx <

n

nn xqxq ∑

=

=0

)(n

nn xpxp ∑

=

=0

)(

y

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢١٢

: باشد، آنگاه

:ديفرانسيل داريمبا قرار دادن مقادير باال در معادله

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

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢١٣

در نتيجه

:داريم که با فرض ضريب کوچکترين توان

پسچون ويا

توان هاي شاخص مي باشد و ريشه هاي آن را معادله شاخص. معادله ديفرانسيل در نقطه منفرد منظم ناميده مي شود

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 +−+=

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢١٤

مالحظه مي شودکه سه حالت زير مي تواند در مورد معادله :شاخص رخ دهد

.عدد غير صحيح وغيرصفر باشد اگر ) الف. عدد صحيح ومثبت باشد اگر ) ب.صفر باشداگر ) ج

ديفرانسيل داراي دو جواب مستقل به معادله ) در حالت الفصورت

و

.قبال مثالهايي در اين مورد مالحظه شد . دارد

21 ss −

21 ss −21 ss −

n

nn

s xaxxy ∑∞

=

=0

11)(n

nn

s xbxxy ∑∞

=

=0

22)(

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢١٥

فقط يک جواب به صورت ) و ج ) در حالت ب

جواب مستقل ديگر نشان داده مي شود براي پيدا کردن . داردکه جواب به صورت

معادله در است که مي توان با مشتق گيري وجايگذاري پيدا کردکه ممکن را ها وديفرانسيل ضرايب

به برابرصفر باشد که در اين صورت است مقدار.شکل يک سري فروبينوس مي با شد

n

nn

s xaxxy ∑∞

=

=0

11)(

n

nn

s xcxxxAyy ∑∞

=

+=0

122log)(

ncAA)(2 xy

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢١٦

در فيزيک و رياضيات محض،اغلب بررسي جواب :تذکرديفرانسيلمعادله

با به . بينهايت باشد،مورد نظر استوقتي متغير مستقل

با مقادير بزرگ کار بردن تغيير متغير

. متناظر خواهند بودمقاديرکوچک

0)()(2 =+′+′′ yxqyxxpyxx

tx 1=x

t

Page 37: Moadelat-difransiel

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢١٧

ديفرانسيل جديد جوابهايي از معادله به جاي با جايگذاري را بدست

مي آوريم که اگر معادله جديد داراي يک نقطه معمولي در ديفرانسيل داراي يک نقطه معادله باشد، گوييم

اگر معادله جديد به همين نحو، . بينهايت استمعمولي درمعادله باشد، گوييم داراي يک نقطه منفرد منظم در

.بينهايت است ديفرانسيل داراي يک نقطه منفرد منظم در

x t

0=t

0=t

[email protected] http://www.ieiso.blogfa.com٢١٨

پايان

موفق باشيد