УО «Витебский государственный университет имени П.М. Машерова» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа 

По предмету

дифференциальные  урвнения 

На  тему: 

Применение  дифференциальных уравнений  в естествознании 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                  Выполнил

                                                                                  студент 3 курса

                                                                                  математического факультета

                                                                                  заочного отделения

                                                                                  Змушко Роман Николаевич

                                                                                  Номер зачетки 1221 

                                                                                                                   Преподаватель:                                                

                                                                                  Иванова Ж. В.   
 
 
 

       Витебск, 2010г.

                  План.

Введение.

Многочисленные  задачи естествознания, техники и  механики, биологии, медицины и других отраслей научных знаний сводятся к математическому моделированию процессов в виде формулы, т.е. в виде функциональной зависимости.

  В математическое исследование любой задачи реального мира можно выделить три основных этапа:

• построение математической модели явления;
• изучение этой математической модели и получение решения соответствующей математической задачи;
• приложение полученных результатов к практическому вопросу, из разрешения которого возникла данная математическая модель, и отыскание других вопросов, к которым она прилагаема.

      При построении математической модели явления  или процесса необходимы его идеализация и формализация. При идеализации явления отделяются условия, существенно влияющие на него, от условий, не оказывающих существенного влияния.

      Классическим  примером идеализированной модели является схема изучения движения маятника - математический маятник. В этом случае пренебрегают размерами и формой груза, сопротивлением воздуха, трением в точке подвеса, гибкостью нити и пр.

      Исследование  этой идеализированной схемы можно уже формализовать, составив дифференциальное уравнение.

      Затем, необходимо исследовать, в каких  границах допустимы сделанные приближения, как будет меняться условие при  учёте отброшенных факторов и  т. д.

      Следует выяснить, какие ещё явления описываются той же самой формализованной математической моделью.

        Так, например, переходные процессы  в радиотехнике, кинетика химических  реакций, динамика биологических  популяций, движение космических  объектов, модели экономического  развития исследуются с помощью  дифференциальных уравнений. 

      Дифференциальные  уравнения являются одним из самых  популярных и мощных средств математического  решения практических задач. Особенно широко они используются для решения  задач естественно - научного цикла: теоретической механики, физики, химии и биологии. Во многих задачах геометрической оптики, геодезии, картографии и других областей естествознания возникает необходимость нахождения кривых по заданным свойствам проведенных к ним касательным. Обычно такие (геометрические) задачи решаются так же с помощью дифференциальных уравнений. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Решение физических задач  с помощью дифференциальных уравнений.

      В соответствии со сказанным в п.2.1., решение физической задачи реальной жизни должно последовательно проходить в три этапа:

• составление дифференциального уравнения;
• решение этого уравнения;
• исследование полученного решения.

При этом рекомендуется следующая последовательность действий:

1. Установить величины, изменяющиеся в данном явлении, и выявить физические законы, связывающие их.
2. Выбрать независимую переменную и функцию этой искомой переменной.
3. Исходя из условий задачи, определить начальные или краевые условия.
4. Выразить все фигурирующие в условии задачи величины через независимую переменную, искомую функцию и производные этой функции.
5. Исходя из условий задачи и физического закона, которому подчиняется данное явление, составить дифференциальное уравнение.
6. Найти общее решение или общий интеграл дифференциального уравнения.
7. По начальным или краевым условиям найти частное решение.
8. Исследовать полученное решение.

      Во  многих случаях составление дифференциального  уравнения основывается на так называемой "линейности процесса в малом", т. е. на дифференцируемости функций, выражающих зависимость величин. Как правило, можно считать, что все участвующие в том или ином процессе величины в течение малого промежутка времени изменяются с постоянной скоростью. Это позволяет применить известные из физики законы, описывающие равномерно протекающие явления, для составления соотношения между значениями t, t + Δt, т. е. между величинами, участвующими в процессе, и их приращениями. Получающееся равенство имеет лишь приближённый характер, поскольку величины меняются даже за короткий промежуток времени, вообще говоря, неравномерно. Но, если разделить обе части получившегося равенства на Δt и перейти к пределу, когда Δt → 0, получится точное равенство. Оно содержит время t, меняющиеся с течением времени физические величины и их производные, т. е. является дифференциальным уравнением, описывающим данное явление. То же самое уравнение в дифференциальной форме можно получить, заменив приращение Δt на дифференциал dt, а приращение функций - соответствующими дифференциалами.

      Таким образом, при составлении дифференциального  уравнения мы делаем как бы "мгновенный снимок" процесса в данный момент времени, а при решении уравнения по мгновенным снимкам восстанавливаем течение процесса. Общая идея замены функций на малых промежутках аргумента линейными функциями, лежащая в основе решения физических задач с помощью дифференциальных уравнений, называется линеаризацией.

      И хотя встречаются процессы, для которых  линеаризация невозможна (например, броуновское  движение), описываемый метод в  подавляющем большинстве случаев  действует безотказно.

       Задача  №1. В дне цилиндрического сосуда, наполненного водой и имеющего высоту Н и радиус основания R, сделано небольшое отверстие площади S (рис.1). За какой промежуток времени через отверстие вытечет вся вода, если треть воды вытекает за t₁ секунд?

      Решение. Если бы истечение воды происходило равномерно, то решение задачи было бы тривиальным:  вся вода вытечет за время 3t₁ c. Но, реально, сначала вода вытекает быстро, а по мере снижения уровня воды в сосуде скорость её истечения уменьшается. Таким образом, необходимо учесть зависимость между скоростью истечения v и высотой h столба жидкости над отверстием.

       Опыты Торричелли показали, что скорость приближённо  выражается формулой                    , где q – ускорение свободного падения и k – «безразмерный» коэффициент, зависящий от вязкости среды и формы отверстия (для воды в случае круглого отверстия k = 6).

      Сделаем «мгновенный снимок» процесса истечения  жидкости за промежуток времени [t, t + Δt]. Пусть в начале этого промежутка высота жидкости над отверстием равнялась h, а в конце его она понизилась и стала h + Δh, где Δh – «приращение» высоты (которое, очевидно, отрицательно). Тогда объём жидкости, вытекшей из сосуда, равен объёму цилиндра с высотой |Δh| = - Δh и площадью основания πR² Δh.

      Эта жидкость вылилась в виде цилиндрической струйки, имеющей площадь основания S. Её высота равна пути, пройденному вытекающей из сосуда жидкостью за промежуток времени [t, t + Δt].

       В начале этого  промежутка времени скорость истечения  равнялась по закону Торричелли                       ,

а в конце  его она равнялась 

 Если Δt весьма мало, то и Δh тоже очень мало и потому полученные выражения для скорости практически одинаковы, а путь, пройденный за промежуток времени  [t, t + Δt], выражается формулой: где

            объём вылившейся из сосуда за промежуток времени[t, t + Δt] жидкости. 

      Приравнивая два выражения для объёма жидкости, вылившейся из сосуда за промежуток времени [t, t + Δt], получаем уравнение:

       Недостатком уравнения (1) является то, что нам  не известно выражение для α. Для устранения этого недостатка, разделим обе части уравнения (1) на Δt и перейдём к пределу при Δt → 0. Учитывая, что

       Получаем дифференциальное уравнение:

       Для решения  уравнения (2), разделим переменные и  обозначим для краткости дробь  через А:  
 

       Получаем уравнение  
 

       Интегрируя  обе части, получаем:

      Мы  получили зависимость между t и h, в которую входят две постоянные А и С. Постоянная А зависит от размеров и формы отверстия, вязкости жидкости и других физических параметров, а постоянная С возникла в ходе решения задачи. Их значения нам не известны, но их можно найти, учтя не использованные ещё условия задачи.

      Для нахождения С используем начальные условия: в начале истечения жидкости сосуд был наполнен, т. е. при t = 0 высота h = H.

       Подставляя в формулу (3) t = 0, h = H, получаем:   

      Равенство (3) можно переписать в виде: 

      Для нахождения А, учтём, что за первые t₁ минут вытекла треть всей жидкости. Этому соответствует понижение уровня жидкости на H/3. Иными словами, при t = t₁ имеем: h = H - H/3 = 2H/3. Отсюда находим, что:

и потому

Теперь  уже не трудно найти время опорожнения  сосуда, т.е. найти такое значение t, при котором h = 0:

      Заметим, что хотя последнее значение t примерно в 1,82 раз больше значения 3·t₁, которое получилось в предположении, что жидкость вытекает равномерно, оно не является безукоризненно точным, так как мы пренебрегли, например, явлениями капиллярности (существенными при малом диаметре отверстия), завихрениями жидкости, пограничным слоем жидкости и многими иными факторами.

      Исследуем полученное решение.

       Подставим в  равенство (4) значение

найдём t₁ и получим, что: 

           Ясно, что, чем больше значения  R и H (размеры сосуда), тем дольше будет вытекать из него жидкость, как это и следует из полученного ответа. Чем больше площадь отверстия S, тем быстрее вытечет жидкость из сосуда. В том же направлении действует и увеличение ускорения q, а так же коэффициента k (чем больше k, тем больше скорость истечения жидкости в формуле Бернулли).

 Таким образом, формула выдержала "испытание на здравый смысл", что в совокупности с испытанием на размерность:  подтверждает, что задача решена верно. 

      Ответ. Вся вода вытечет через отверстие за промежуток времени

       Во многих случаях составление дифференциальных уравнений по условию задачи облегчается тем, что соответствующий закон физики связывает между собой значение некоторой величины и скорости её изменения, либо связывает друг с другом значения величины, скорости её изменения и ускорения.

       Задача №2.   В замкнутую электрическую цепь (рис.2) последовательно включены источник тока с ЭДС Е(t), меняющейся с течением времени, активное сопротивление R и катушка с индуктивностью L. Как изменяется сила тока с течением времени, если в начальный момент (при t = 0) она равнялась нулю? 

      Решение. Из курса физики известно, что E(t) = Uакт + Uкат, где Uакт - напряжение на активном участке цепи, выражаемое по закону Ома: Uакт = IR, а Uкат - пропорционально скорости изменения силы тока с коэффициентом пропорциональности L: Uкат = LI΄.

      Имеет место равенство:

       LI΄ + RI = E(t).

      Разделим  обе части уравнения (5)на L:  I΄ + (R/L)I = E(t)/ L.

      Мы  получили линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка для  силы тока с начальным условием I(0) = 0.

       Общим решением такого уравнения, согласно п. 1.2.3. является:

      Разберём  два случая:

1. ЭДС - постоянная величина, Е(t) = Е₀. В этом случае из уравнения (6):

В силу начального условия I(0) = 0, т. е. 0 = E₀ (1 + C)/R, откуда получим:

C = -1 и потому:

Отмечаем, что  при t → + ∞ получаем, что I → E₀ /R, т. е. после включения постоянной ЭДС значение возрастает от нуля до значения E₀/R, даваемого законом Ома  (рис. 3). 
 

2. ЭДС периодически изменяется по синусоидальному закону:

E = E₀ sin ωt.

       В этом случае из уравнения (6) имеем: 

      Из  начального условия I(0) = 0 находим, что

 С течением времени  при t → + ∞ второе слагаемое стремится к нулю, т. е.

Если положить: 

то  это равенство  можно записать в виде:

Ответ. Колебания силы тока - предел синусоидальных синусоидальные колебаний ЭДС (со сдвигом фазы).

      В природе и технике очень широко распространены процессы, в которых  какая – либо характеристика последовательно  отклоняется то в одну, то в другую сторону от своего определённого  значения – колебательные процессы. Описать колебательный процесс – это значит выбрать характерный параметр процесса, зависящий от времени, и составить уравнение колебаний, которому он подчиняется. Широкое применение при изучении различных колебательных явлений находят линейные дифференциальные уравнения второго порядка.

Задача  №3. На вертикальной пружине закреплён груз массой m (рис.4). Груз выводят из положения равновесия в вертикальном направлении и потом отпускают. Найти закон движения груза, пренебрегая массой пружины и сопротивлением воздуха. 

      Решение. Направим ось Ох вниз по вертикальной прямой, проходящей через точку подвеса груза, которую и примем за начало координат.

      Составим  дифференциальное уравнение, опираясь на II закон Ньютона:

                                                  F = ma                                                                (8)

Здесь m – масса груза, а – ускорение движения, F – результирующая всех сил, приложенных к телу.

      В положении равновесия сила тяжести, проекция которой на ось Ох равна mq, уравнивается упругой силой пружины, которая согласно закону Гука пропорциональна удлинению пружины:

                                                           mq =ω* λ                                                         (9)

(здесь ω* - коэффициент жёсткости пружины).

      Обозначим через x(t) отклонение груза от положения равновесия. В момент времени t на тело будут действовать две силы: сила тяжести mq, тянущая груз вниз, и упругая сила пружины, равная ω*( λ + х) и направленная вверх.

      Результирующая  сила будет равна:

F = mq — ω*( λ + х),

или в силу (9):

F = — ω* х.

      На  основании закона Ньютона (8) получаем:

                                                     mа = — ω* х.                                             (10)

В случае прямолинейного движения вдоль оси Ох ускорение равно x″(t). Равенство (10) можно записать в виде m x″ = — ω* х, откуда

                                                         x″ + ω² х = 0,                                             (11)

где ω²= ω*/m > 0.

      Получили  дифференциальное уравнение движения тела – линейное однородное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами, решения которых рассмотрены в п.1.3.4.

      Корнями его характеристического уравнения  r² + ω² = 0 являются комплексные числа r_1,2 = ± ωi, поэтому общее решение уравнения (11) имеет вид:

x= C₁ cos ωt + C₂ sin ωt.

Для выяснения  физического смысла полученного  решения преобразуем его:

Положим

Тогда общее  решение уравнения запишется  так:

x= А(sin α cos ωt + cos α sin ωt),

или                                          

        x= А sin (ωt + α),                                              (12)

где А и α – новые произвольные постоянные.

      Величина  А называется амплитудой колебания, аргумент ωt + α – фазой колебания, его значение α при t = 0 – начальной фазой, ω – частотой колебания.

      Пусть в начальный момент времени  t = 0 отклонение груза от положения равновесия равно x₀, а скорость движения x₀΄, т.е. x(0) = x₀, x΄(0) = x₀΄. По этим начальным условиям можно найти амплитуду и начальную фазу.

       В силу условий  при t = 0, учитывая равенство x΄(t) = Аω cos (ωt + α), получаем: А(sin α) = x₀,  Аω cos α = x₀΄, откуда

       Подставив найденные  значения А и α в (12), получим:

      Формула (12**) выражает закон движения груза. Из неё видно, что груз совершает  гармонические колебания около  положения равновесия.

       Частота и  период колебания соответственно равны:

      Как видно, частота и период колебания  зависят только от жёсткости пружины и массы груза, т. е. определяются свойствами самой системы.

      Амплитуда же колебаний и начальная фаза зависят также от начальных условий  x₀, x₀΄ (см. 12*).

      Ответ. Движение груза на вертикальной пружине - гармонические колебания около положения равновесия.

Решение геометрических задач.

      При решении геометрических задач с  помощью дифференциальных уравнений  рекомендуется следующая последовательность действий:

• сделать чертёж и ввести обозначения;
• отделить условия. Имеющие место в произвольной точке искомой линии, от условий, выполняющихся лишь в отдельных точках;
• выразить все упомянутые в задаче величины через координаты произвольной точки и через значение производной в этой точке, учитывая геометрический смысл производной;
• по условию задачи составить дифференциальное уравнение;
• найти общее решение этого уравнения и получить из него с помощью начальных условий уравнение искомой линии.

Задача№1. Определить поверхность, по которой необходимо отшлифовать зеркало прожектора, чтобы все лучи, выходящие из источника света, помещённого в точке О на оси вращения, отражались бы зеркалом параллельно этой оси (рис.5). 

      Решение. Возьмём меридианное сечение поверхности вращения. Выберем начало координат в точке 0, ось абсцисс направим по оси вращения и обозначим угол между положительным направлением оси абсцисс и касательной к искомой кривой, проведённой в точке M(x; y), через α. Тогда по условию задачи имеем: ∟SMT  = α. Но ∟OMN = ∟TMN (угол падения равен углу отражения), поэтому ∟OMA = ∟SMT = α. Таким образом, треугольник OAM - равнобедренный и │ОА│=│ОМ│.

      Из  чертежа видно, что │АО│=│АР│-│ОР│=у сtg α - x. Поскольку сtg α = 1/ tg α = 1/y′, то │АО│=│АР│-│ОР│= у /y′ - x.

      С другой стороны,

Получаем  дифференциальное уравнение:

      Запишем его в форме:

Получили  однородное дифференциальное уравнение. После подстановки x = yu, dx = udy + ydu, получаем уравнение с разделяющимися переменными:

Преобразования дают:

      Интегрируя, находим:

Запишем полученное уравнение в виде:

Получаем  у ² - 2Сх = С ², или, приводя к каноническому виду (у² = 2рх):