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गणित · शब्दावली

अवकल समीकरण प्रथम कोटि रैखिक क्या है?

परिभाषा 5.1 विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 1 · अध्याय 5 — रैखिक अवकल समीकरण

मान लीजिए II एक अंतराल है और a,b ⁣:I→Ra, b \colon I \to \R (या C\C) संतत है। समीकरण

(E) ⁣:y′+a(x) y=b(x),(E)\colon\quad y' + a(x)\,y = b(x),

अज्ञात अवकलनीय फलन y ⁣:I→Ry \colon I \to \R (या C\C) में प्रथम कोटि का रैखिक अवकल समीकरण कहलाता है। समीकरण (H) ⁣:y′+a(x)y=0(H)\colon y' + a(x) y = 0 उसका समांगी समीकरण है।

उदाहरण

उदाहरण 5.3 (चर गुणांक वाला समांगी समीकरण)

R\R पर y′+(cos⁡x) y=0y' + (\cos x)\,y = 0 हल कीजिए। a(x)=cos⁡xa(x) = \cos x का एक प्रतिअवकलज A(x)=sin⁡xA(x) = \sin x है, अतः हल हैं

y(x)=λ e−sin⁡x,λ∈R.y(x) = \lambda\,\eu^{-\sin x}, \qquad \lambda \in \R .

दो पाठ। प्रत्येक हल आवर्ती है (आवर्तकाल 2π2\pi) और λ=0\lambda = 0 के अतिरिक्त कभी लुप्त नहीं होता — λ\lambda का चिह्न सदा के लिए yy का चिह्न रहता है, क्योंकि चरघातांकी शून्य को पार नहीं कर सकता। और y(0)=y0y(0) = y_0 से होकर जाने वाला हल y0e−sin⁡xy_0\eu^{-\sin x} है: प्रत्येक आरंभिक बिंदु से होकर इस कुल का ठीक एक वक्र, जो प्रमेय 5.4 (2) का एकविमीय चित्र है।

उदाहरण 5.6 (अनुमान लगाना समाकलन से अच्छा है)

R\R पर y′+2x y=xy' + 2x\,y = x हल कीजिए। अचरों का विचरण काम करता है (A=x2A = x^2, μ′=x ex2\mu' = x\,\eu^{x^2}, μ=12ex2+λ\mu = \frac12\eu^{x^2} + \lambda), पर यह देख लेना कि अचर yp=12y_p = \frac12 समीकरण को हल करता है (0+2x⋅12=x0 + 2x\cdot\frac12 = x), अधिक तेज़ है। समांगी हलों λ e−x2\lambda\,\eu^{-x^2} के साथ:

y(x)=12+λ e−x2,λ∈R.y(x) = \frac12 + \lambda\,\eu^{-x^2}, \qquad \lambda \in \R .

जब x→±∞x \to \pm\infty, तब प्रत्येक हल अत्यंत तेज़ी से 12\frac12 की ओर अभिसरित होता है: अचर विशिष्ट हल एक साम्यावस्था है जिससे सभी हल आ मिलते हैं। सार: सामान्य विधि चलाने से पहले दस सेकंड कोई स्पष्ट विशिष्ट हल (अचर, एकपदी, दाएँ पक्ष का गुणज) ढूँढ़ने में लगाइए; संरचना प्रमेय फिर काम पूरा कर देती है।

उदाहरण 5.8 (सम्मिश्र दायाँ पक्ष, दो वास्तविक उत्तर)

y′−y=cos⁡xy' - y = \cos x और y′−y=sin⁡xy' - y = \sin x को एक ही चाल में हल कीजिए। दाएँ पक्ष eix\eu^{\iu x} के साथ C\C में काम कीजिए: yp=c eixy_p = c\,\eu^{\iu x} आज़माने पर c(i−1)eix=eixc(\iu - 1)\eu^{\iu x} = \eu^{\iu x} मिलता है, अतः

c=1i−1=−1−i2,yp=−(1+i)(cos⁡x+isin⁡x)2=sin⁡x−cos⁡x2+i −sin⁡x−cos⁡x2.c = \frac1{\iu - 1} = \frac{-1 - \iu}2, \qquad y_p = -\frac{(1 + \iu)(\cos x + \iu\sin x)}2 = \frac{\sin x - \cos x}2 + \iu\,\frac{-\sin x - \cos x}2 .

चूँकि समीकरण के गुणांक वास्तविक हैं, वास्तविक और काल्पनिक भाग अलग हो जाते हैं: sin⁡x−cos⁡x2\frac{\sin x - \cos x}2 y′−y=cos⁡xy' - y = \cos x को हल करता है, और −sin⁡x+cos⁡x2-\frac{\sin x + \cos x}2 y′−y=sin⁡xy' - y = \sin x को (पहले की जाँच: अवकलज cos⁡x+sin⁡x2\frac{\cos x + \sin x}2, में से फलन घटाने पर cos⁡x\cos x मिलता है)। एक सम्मिश्र पंक्ति ने अचरों के विचरण की दो दौड़ों की जगह ले ली — वही मितव्ययिता जिसे विधि 5.13 द्वितीय कोटि के लिए व्यवस्थित करता है, और अध्याय 3 का बार-बार मिलने वाला लाभांश।

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