Дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение вида или , где - неизвестная функция от . Иногда дифференциальное уравнение 1-го порядка записывают в дифференциалах: .
Решением дифференциального уравнения называется такая дифференцируемая функция , которая при подстановке в уравнение вместо неизвестной функции обращает его в тождество.
Общим решением дифференциального уравнения первого порядка в области называется функция , обладающая следующими свойствами:
1) она является решением данного уравнения при любых значениях произвольной постоянной ;
2) для любого начального условия при , т.е. , такого, что , существует единственное значение , при котором решение удовлетворяет заданному начальному условию.
Равенство , неявно задающее общее решение, называется общим интегралом дифференциального уравнения.
Частным решением дифференциального уравнения называется любая функция , которая получается из общего решения при конкретном значении . ( называется частным интегралом).
Задача, в которой требуется найти частное решение уравнения , удовлетворяющее начальному условию при (или ) называется начальной задачей или задачей Коши.
Построенный на плоскости график любого решения дифференциального уравнения называется интегральной кривой.
1.1 Дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Дифференциальное уравнение первого порядка называется уравнением с разделяющимися переменными, если оно может быть представлено в виде
или в виде
(1)
уравнение (1) преобразуют следующим образом:
Предполагая, что и , разделим уравнение (2) на . Получим уравнение, которое решается такое уравнение почленным интегрированием
.
Пример 1. Найти общее решение дифференциального уравнения ; построить несколько интегральных кривых; найти уравнение кривой, проходящей через точку с координатами (1,-3).
- это дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными вида (1). Преобразуем его:
тогда ;
, или .
Чтобы упростить данное выражение, запишем произвольную постоянную в виде :
(произвольная постоянная не изменится при делении или умножении на любое число, отличное от нуля).
Чтобы найти уравнение кривой, проходящей через точку (1;-3), найдем по начальным условиям при :
.
Уравнение кривой: . Это частное решение заданного уравнения.
1.2. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Уравнение вида
(2)
где - заданные функции и , или после деления на и некоторого преобразования записанное в виде
, (3)
называется линейным дифференциальным уравнением 1-го порядка. Решение линейного уравнения 1-го порядка может быть получено с помощью подстановки:
; , где - неизвестные дифференцируемые функции.
Пример 2. Уравнение - линейное уравнение первого порядка вида (2), где . Введем подстановку (9). Подставляя вместо и соответствующие выражения, получим
Приравнивая выражение в скобках к нулю, получим уравнение:
, которое является уравнением 1-го порядка с разделяющимися переменными. Решим его:
- общее решение.
, , , , частное решение .
.