Asosiy tarkibga o'tish

2.2-bo'lim: O'zgaruvchilari ajraladigan differensial tenglamalar (separable equations)

Endi biz birinchi tartibli nochiziqli differensial tenglamalarni o'rganishni boshlaymiz. Nochiziqli birinchi tartibli differensial tenglamalarning biz ko'rib chiqadigan birinchi va eng muhim sinfi — bu o'zgaruvchilari ajraladigan differensial tenglamalar dir.

Agar birinchi tartibli differensial tenglamani quyidagi ko'rinishda yozish mumkin bo'lsa, u o'zgaruvchilari ajraladigan tenglama deyiladi:

\[\begin{equation} N(y)\frac{dy}{dx} = M(x) \label{eq:eq1} \end{equation}\]

E'tibor bering: tenglama o'zgaruvchilari ajraladigan bo'lishi uchun tenglamadagi barcha \(y\) qatnashgan ifodalar hosilaga ko'paytirilgan bo'lishi, barcha \(x\) qatnashgan ifodalar esa tenglikning narigi (o'ng) tomonida joylashgan bo'lishi kerak.

Ushbu differensial tenglamani qat'iy matematik usulda yechish uchun uning har ikkala tomonini \(x\) bo'yicha integrallaymiz:

\[\int N(y)\frac{dy}{dx}\,dx = \int M(x)\,dx\]

Endi eslaymiz: \(y\) aslida \(x\) ning funksiyasidir, ya'ni \(y = y(x)\). Demak, chap tomondagi integralda quyidagi o'zgaruvchini almashtirishni qo'llay olamiz:

\[u = y(x)\hspace{0.25in} du = y'(x)\,dx = \frac{dy}{dx}\,dx\]

Ushbu almashtirishni integralga qo'llasak, quyidagi ifodaga ega bo'lamiz:

\[\begin{equation} \int N(u)\,du = \int M(x)\,dx \label{eq:eq2} \end{equation}\]

Mana shu bosqichda biz har ikki tomonni integrallaymiz va so'ngra chap tomondagi \(u\) o'rniga yana \(y\) ni qaytarib qo'yamiz. (Albatta, bu yerda ikkala integralni ham elementar funksiyalarda hisoblash mumkin bo'ladi deb umid qilamiz; agar integrallardan biri hisoblanmaydigan bo'lsa, analitik yechimni topish imkonsiz bo'lib qoladi).

Yuqorida keltirilgan tartib bu tenglamani yechishning to'laqonli, qat'iy matematik asoslangan yo'lidir. Biroq, agar biz hosilani ham differensiallar ko'rinishida "ajratsak", tenglamani quyidagicha yozib olishimiz mumkin:

\[N(y)\,dy = M(x)\,dx\]

Garchi hosilani oddiy kasr kabi shunchaki ajratish rasman to'g'ri bo'lmasa-da, Leybnits belgilarining go'zalligi shundaki — bu usul kamroq yozuv bilan aynan o'sha to'g'ri natijaga olib keladi. Ikkala tomoniga integral belgisini qo'ysak:

\[\begin{equation} \int N(y)\,dy = \int M(x)\,dx \label{eq:eq3} \end{equation}\]

Agar \(\eqref{eq:eq2}\) va \(\eqref{eq:eq3}\) formulalarni taqqoslasak, ularning bir xil ekanini ko'ramiz. Faqat \(\eqref{eq:eq2}\) da integrallash o'zgaruvchisi \(u\) harfi bilan, \(\eqref{eq:eq3}\) da esa to'g'ridan-to'g'ri \(y\) harfi bilan yozilgan xolos. Shu sababli, amaliyotda hisoblashlarni soddalashtirish uchun biz doimo \(\eqref{eq:eq3}\) tenglikdan foydalanamiz.

Integrallashni bajarganimizdan so'ng, biz yechimning oshkormas ko'rinishi (implicit yechim)ga ega bo'lamiz. Iloji boricha, biz ushbu tenglikdan \(y\) ni algebraik amallar orqali ajratib olib, oshkor yechim \(y = y(x)\) ko'rinishiga keltirishga harakat qilamiz (buning har doim ham imkoni bo'lavermaydi).

Bundan tashqari, biz Mavjudlik oraliqlarini (Interval of Validity) ham hisoblashimiz shart bo'ladi. Eslatib o'tamiz, yechimning mavjudlik oralig'i — bu erkin o'zgaruvchi (\(x\)) ning yechim aniqlangan, uzluksiz bo'lgan va boshlang'ich shartni o'z ichiga olgan uzluksiz oraliqdir. O'zgaruvchilari ajraladigan differensial tenglamalar yechimlarining aksariyati butun sonlar o'qida emas, balki cheklangan oraliqlardagina mavjud bo'ladi.

Keling, jarayonni aniq ko'rish uchun eng sodda misoldan boshlaylik.

1-Misol Quyidagi differensial tenglamani yeching va yechimning mavjudlik oralig'ini aniqlang: \[\frac{dy}{dx} = 6y^2 x\hspace{0.25in}\,\,\,y(1) = \frac{1}{25}\]
Yechim

Ushbu tenglamada o'zgaruvchilarni osongina ajratish mumkin. Buning uchun \(y^2\) ni chap tomonga, \(dx\) ni o'ng tomonga o'tkazamiz va har ikkala tomonni integrallaymiz:

\[\begin{align*} y^{-2}\,dy & = 6x\,dx\\ \int y^{-2}\,dy & = \int 6x\,dx\\ -\frac{1}{y} & = 3x^2 + c \end{align*}\]

E'tibor bering: integrallash doimiysini ikkala tomonga ham yozish mumkin edi, ammo ularni bitta tomonga o'tkazib, umumiy \(c\) o'zgarmasiga birlashtirish kifoyadir. Biz \(c\) doimiysini an'anaga ko'ra \(x\) turgan o'ng tomonda qoldiramiz.

Endi bizda oshkormas yechim mavjud: \(-\frac{1}{y} = 3x^2 + c\). Bu yerdan oshkor \(y(x)\) ni topishdan oldin, boshlang'ich shart yordamida \(c\) ning son qiymatini aniqlab olish ancha qulayroqdir. \(x = 1\) va \(y = 1/25\) ekanidan:

\[-\frac{1}{1/25} = 3(1)^2 + c \implies -25 = 3 + c \implies c = -28\]

\(c = -28\) qiymatni yechimga qo'yib, \(y\) ni topamiz:

\[-\frac{1}{y} = 3x^2 - 28 \implies \frac{1}{y} = 28 - 3x^2 \implies y(x) = \frac{1}{28 - 3x^2}\]

Bu tenglamaning oshkor yechimidir. Endi ushbu yechimning mavjudlik oralig'i ni topamiz.

Yechimning mavjudlik oralig'i uchun ikkita qat'iy talab bor: birinchidan, u hech qanday uzilishlarsiz uzluksiz oraliq bo'lishi kerak; ikkinchidan, u boshlang'ich shartdagi \(x = 1\) nuqtani o'z ichiga olishi shart.

Bizning yechimimiz kasr ko'rinishida bo'lgani sababli, maxraj nolga teng bo'lishiga yo'l qo'ymasligimiz kerak:

\[28 - 3x^2 = 0 \implies x^2 = \frac{28}{3} \implies x = \pm\sqrt{\frac{28}{3}} \approx \pm 3.05505\]

Ushbu ikki uzilish nuqtasi sonlar o'qini uchta mumkin bo'lgan oraliqqa ajratadi:

\[-\infty < x < -\sqrt{\frac{28}{3}},\hspace{0.25in} -\sqrt{\frac{28}{3}} < x < \sqrt{\frac{28}{3}},\hspace{0.25in} \sqrt{\frac{28}{3}} < x < \infty\]

Boshlang'ich shartdagi \(x = 1\) nuqta aynan ikkinchi oraliqda (\(-\sqrt{28/3} < 1 < \sqrt{28/3}\)) yotadi. Demak, ushbu Koshi masalasi yechimining mavjudlik oralig'i:

\[-\sqrt{\frac{28}{3}} < x < \sqrt{\frac{28}{3}}\]

Quyida yechimning grafigi keltirilgan:

y = 1 / (28 - 3x^2) funksiyasining U shaklidagi grafigi, x = -sqrt(28/3) va x = sqrt(28/3) vertikal asimptotalari orasida

Eslatma: agar boshlang'ich shart boshqacha berilganida, masalan \(y(-4) = -1/20\) bo'lganida, mavjudlik oralig'i birinchi oraliq \((-\infty, -\sqrt{28/3})\) bo'lar edi; agar \(y(6) = -1/80\) bo'lganida esa uchinchi oraliq \((\sqrt{28/3}, \infty)\) bo'lar edi.

2-Misol Quyidagi boshlang'ich qiymat masalasini (Koshi masalasini) yeching va yechimning mavjudlik oralig'ini toping: \[y' = \frac{3x^2 + 4x - 4}{2y - 4}\hspace{0.25in}y(1) = 3\]
Yechim

O'zgaruvchilarni ajratamiz va har ikkala tomonni integrallaymiz:

\[\begin{align*} (2y - 4)\,dy & = (3x^2 + 4x - 4)\,dx\\ \int (2y - 4)\,dy & = \int (3x^2 + 4x - 4)\,dx\\ y^2 - 4y & = x^3 + 2x^2 - 4x + c \end{align*}\]

Oshkormas yechim hosil bo'ldi. Dastlab \(c\) ni topish uchun \(x = 1\) va \(y = 3\) shartni qo'yamiz:

\[(3)^2 - 4(3) = (1)^3 + 2(1)^2 - 4(1) + c \implies 9 - 12 = 1 + 2 - 4 + c \implies -3 = -1 + c \implies c = -2\]

Demak, oshkormas yechim quyidagicha:

\[y^2 - 4y = x^3 + 2x^2 - 4x - 2\]

Endi ushbu tenglikdan oshkor \(y(x)\) ni ajratishimiz kerak. Buning uchun barcha hadlarni chap tomonga o'tkazib, \(y\) ga nisbatan kvadrat tenglama sifatida qaraymiz:

\[y^2 - 4y - (x^3 + 2x^2 - 4x - 2) = 0\]

Kvadrat tenglamaning ildizlar formulasiga ko'ra (\(a = 1, b = -4, c = -(x^3 + 2x^2 - 4x - 2)\)):

\[\begin{align*} y(x) & = \frac{4 \pm \sqrt{(-4)^2 - 4(1)(-(x^3 + 2x^2 - 4x - 2))}}{2}\\ & = \frac{4 \pm \sqrt{16 + 4(x^3 + 2x^2 - 4x - 2)}}{2}\\ & = \frac{4 \pm 2\sqrt{4 + x^3 + 2x^2 - 4x - 2}}{2}\\ & = 2 \pm \sqrt{x^3 + 2x^2 - 4x + 2} \end{align*}\]

Bu yerda ikkita ishora (\(\pm\)) mavjud, ammo funksiya bitta qiymatli bo'lishi kerak. Ikkala ishoradan qaysi biri to'g'ri ekanini bilish uchun boshlang'ich shartni (\(x = 1\) da \(y = 3\)) qo'yib tekshiramiz:

\[y(1) = 2 \pm \sqrt{1 + 2 - 4 + 2} = 2 \pm \sqrt{1} = 2 \pm 1\]

\(2 + 1 = 3\) va \(2 - 1 = 1\). Bizga \(y = 3\) kerak bo'lgani sababli, musbat ("+") ishora to'g'ri keladi!

Shunday qilib, izlanayotgan oshkor yechim:

\[y(x) = 2 + \sqrt{x^3 + 2x^2 - 4x + 2}\]

Endi yechimning mavjudlik oralig'ini topaylik. Haqiqiy sonlar to'plamida qolishimiz uchun ildiz ostidagi ifoda nomanfiy bo'lishi shart:

\[x^3 + 2x^2 - 4x + 2 \ge 0\]

Ushbu uchinchi darajali ko'phad bitta haqiqiy ildizga ega: \(x \approx -3.36523\) (qolgan ikki ildizi kompleks sonlardir). Quyidagi grafikdan ko'rinib turibdiki, ko'phad \(x \ge -3.36523\) bo'lganda musbat bo'ladi:

y = x^3 + 2x^2 - 4x + 2 funksiyasining grafigi, x = -3.36523 nuqtadan o'ngda musbat qiymatlar oladi

Ushbu oraliq boshlang'ich shartdagi \(x = 1\) nuqtani o'z ichiga oladi. Demak, yechimning mavjudlik oralig'i: \(x \ge -3.36523\) (yoki differensial tenglamada hosila mavjud bo'lishi uchun ochiq oraliq: \(x > -3.36523\)) bo'ladi.

Quyida topilgan yechimning to'liq grafigi keltirilgan:

y(x) = 2 + sqrt(x^3 + 2x^2 - 4x + 2) yechimining grafigi, x > -3.36523 sohada aniqlangan
3-Misol Quyidagi Koshi masalasini yeching va yechimning mavjudlik oralig'ini toping: \[y' = \frac{x y^3}{\sqrt{1 + x^2}}\hspace{0.25in}y(0) = -1\]
Yechim

O'zgaruvchilarni ajratamiz:

\[y^{-3}\,dy = \frac{x}{\sqrt{1 + x^2}}\,dx = x(1 + x^2)^{-1/2}\,dx\]

Har ikkala tomonni integrallaymiz (o'ng tomonda \(u = 1 + x^2, du = 2x\,dx\) almashtirish bajariladi):

\[\int y^{-3}\,dy = \int x(1 + x^2)^{-1/2}\,dx \implies -\frac{1}{2y^2} = \sqrt{1 + x^2} + c\]

\(x = 0\) va \(y = -1\) boshlang'ich shartni qo'llaymiz:

\[-\frac{1}{2(-1)^2} = \sqrt{1 + 0} + c \implies -\frac{1}{2} = 1 + c \implies c = -\frac{3}{2}\]

Hosil bo'lgan oshkormas yechim:

\[-\frac{1}{2y^2} = \sqrt{1 + x^2} - \frac{3}{2}\]

Endi \(y(x)\) ni topamiz:

\[\begin{align*} \frac{1}{y^2} & = 3 - 2\sqrt{1 + x^2}\\ y^2 & = \frac{1}{3 - 2\sqrt{1 + x^2}}\\ y(x) & = \pm \frac{1}{\sqrt{3 - 2\sqrt{1 + x^2}}} \end{align*}\]

Boshlang'ich shart \(y(0) = -1\) (manfiy son) bo'lganligi sababli, ildiz oldidagi manfiy ("-") ishora tanlanadi:

\[y(x) = -\frac{1}{\sqrt{3 - 2\sqrt{1 + x^2}}}\]

Mavjudlik oralig'i: Ildiz osti musbat bo'lishi va maxraj nolga teng bo'lmasligi shart:

\[3 - 2\sqrt{1 + x^2} > 0 \implies 3 > 2\sqrt{1 + x^2} \implies 9 > 4(1 + x^2) \implies \frac{9}{4} > 1 + x^2 \implies x^2 < \frac{5}{4}\]

Bundan ko'rinib turibdiki, mavjudlik oralig'i quyidagicha bo'ladi:

\[-\frac{\sqrt{5}}{2} < x < \frac{\sqrt{5}}{2}\]

Ushbu oraliq \(x = 0\) boshlang'ich nuqtani o'z ichiga oladi. Quyida yechimning grafigi keltirilgan:

y(x) = -1 / sqrt(3 - 2*sqrt(1 + x^2)) funksiyasining teskari U shaklidagi grafigi, (0,-1) nuqtadan o'tadi
4-Misol Quyidagi Koshi masalasini yeching va yechimning mavjudlik oralig'ini toping: \[y' = e^{-y}(2x - 4)\hspace{0.25in}y(5) = 0\]
Yechim

O'zgaruvchilarni ajratamiz (har ikki tomonni \(e^y\) ga ko'paytiramiz):

\[e^y\,dy = (2x - 4)\,dx\]

Ikkala tomonni integrallaymiz:

\[\int e^y\,dy = \int (2x - 4)\,dx \implies e^y = x^2 - 4x + c\]

\(x = 5\) va \(y = 0\) boshlang'ich shartni qo'yamiz:

\[e^0 = (5)^2 - 4(5) + c \implies 1 = 25 - 20 + c \implies 1 = 5 + c \implies c = -4\]

Demak, oshkormas yechim: \(e^y = x^2 - 4x - 4\). Har ikki tomonni natural logarifmlasak, oshkor yechim hosil bo'ladi:

\[y(x) = \ln(x^2 - 4x - 4)\]

Mavjudlik oralig'i: Logarifm faqat qat'iy musbat sonlar uchun aniqlangan:

\[x^2 - 4x - 4 > 0\]

Kvadrat uchhadning ildizlari: \(x = \frac{4 \pm \sqrt{16 - 4(1)(-4)}}{2} = \frac{4 \pm \sqrt{32}}{2} = 2 \pm 2\sqrt{2}\).

y = x^2 - 4x - 4 parabolasi, ildizlari 2 - 2*sqrt(2) va 2 + 2*sqrt(2) nuqtalarda

Tengsizlikning yechimi ikkita oraliqdan iborat: \((-\infty, 2 - 2\sqrt{2})\) va \((2 + 2\sqrt{2}, \infty)\). Boshlang'ich shartdagi \(x = 5\) qiymat ikkinchi oraliqda yotadi (chunki \(2 + 2\sqrt{2} \approx 2 + 2(1.414) = 4.828 < 5\)).

Demak, yechimning mavjudlik oralig'i:

\[2 + 2\sqrt{2} < x < \infty\]

Yechim grafigi quyidagicha:

y(x) = ln(x^2 - 4x - 4) yechimining grafigi, x = 2 + 2*sqrt(2) vertikal asimptotadan boshlanib o'ngga qarab o'sadi
5-Misol Quyidagi Koshi masalasini yeching va yechimning mavjudlik oralig'ini toping: \[\frac{dr}{d\theta} = \frac{r^2}{\theta}\hspace{0.25in}r(1) = 2\]
Yechim

O'zgaruvchilarni ajratib, integrallaymiz:

\[\frac{1}{r^2}\,dr = \frac{1}{\theta}\,d\theta \implies \int r^{-2}\,dr = \int \frac{1}{\theta}\,d\theta \implies -\frac{1}{r} = \ln|\theta| + c\]

\(\theta = 1\) bo'lganda \(r = 2\) shartdan:

\[-\frac{1}{2} = \ln|1| + c \implies -\frac{1}{2} = 0 + c \implies c = -\frac{1}{2}\]

Oshkormas yechim: \(-\frac{1}{r} = \ln|\theta| - \frac{1}{2} \implies \frac{1}{r} = \frac{1}{2} - \ln|\theta|\).

Oshkor yechim:

\[r(\theta) = \frac{1}{\frac{1}{2} - \ln|\theta|}\]

Mavjudlik oralig'i: Bizda ikkita cheklov mavjud: birinchidan, \(\ln|\theta|\) logarifm mavjud bo'lishi uchun \(\theta \ne 0\); ikkinchidan, maxraj nolga teng bo'lmasligi kerak:

\[\frac{1}{2} - \ln|\theta| = 0 \implies \ln|\theta| = \frac{1}{2} \implies |\theta| = e^{1/2} = \sqrt{e} \implies \theta = \pm\sqrt{e}\]

Ushbu uchta nuqta (\(-\sqrt{e}\), \(0\), \(\sqrt{e}\)) sonlar o'qini 4 qismga ajratadi:

\[(-\infty, -\sqrt{e}),\quad (-\sqrt{e}, 0),\quad (0, \sqrt{e}),\quad (\sqrt{e}, \infty)\]

Boshlang'ich shartdagi \(\theta = 1\) nuqta (\(0 < 1 < \sqrt{e} \approx 1.6487\)) uchinchi oraliqda joylashgan. Demak, mavjudlik oralig'i:

\[0 < \theta < \sqrt{e}\]

Quyida yechimning grafigi keltirilgan:

r(theta) = 1 / (1/2 - ln|theta|) grafigi, (0, sqrt(e)) oralig'ida aniqlangan, theta -> sqrt(e) da cheksizlikka o'sadi
6-Misol Quyidagi Koshi masalasini yeching: \[\frac{dy}{dt} = e^{y - t}\sec(y)(1 + t^2)\hspace{0.25in}y(0) = 0\]
Yechim

Dastlab o'ng tomonni ko'paytuvchilarga ajratamiz: \(e^{y - t} = e^y e^{-t}\) va \(\sec(y) = \frac{1}{\cos y}\). Shunda:

\[\frac{dy}{dt} = \frac{e^y e^{-t}}{\cos y}(1 + t^2)\]

Endi \(y\) li ifodalarni chap tomonga, \(t\) li ifodalarni o'ng tomonga o'tkazamiz:

\[e^{-y}\cos y\,dy = e^{-t}(1 + t^2)\,dt\]

Har ikkala tomonni bo'laklab integrallash usuli bilan hisoblaymiz:

Chap tomon integrali: \(\int e^{-y}\cos y\,dy\). Ikki marta bo'laklab integrallasak (standart aylanma integral):

\[\int e^{-y}\cos y\,dy = \frac{e^{-y}}{2}(\sin y - \cos y)\]

O'ng tomon integrali: \(\int e^{-t}(1 + t^2)\,dt\). Ikki marta bo'laklab integrallasak:

\[\int e^{-t}(1 + t^2)\,dt = -e^{-t}(t^2 + 2t + 3) + c\]

Shunday qilib, umumiy yechim:

\[\frac{e^{-y}}{2}(\sin y - \cos y) = -e^{-t}(t^2 + 2t + 3) + c\]

\(t = 0\) va \(y = 0\) boshlang'ich shartni qo'yamiz (\(\sin 0 = 0, \cos 0 = 1, e^0 = 1\)):

\[\frac{1}{2}(0 - 1) = -(0 + 0 + 3) + c \implies -\frac{1}{2} = -3 + c \implies c = \frac{5}{2}\]

Natijada quyidagi oshkormas yechimga ega bo'lamiz:

\[\frac{e^{-y}}{2}(\sin y - \cos y) = -e^{-t}(t^2 + 2t + 3) + \frac{5}{2}\]

Ushbu tenglikdan \(y\) ni analitik tarzda oshkor ajratib olish (ya'ni \(y = \dots\) ko'rinishga keltirish) matematik jihatdan imkonsizdir. Shuning uchun yechim oshkormas ko'rinishda qoldiriladi. Shuningdek, oshkormas yechimlardan mavjudlik oralig'ini topish odatda juda murakkab bo'lgani bois, bunday masalalarda mavjudlik oralig'ini topish talab etilmaydi.

Ushbu misollar ko'rsatganidek, o'zgaruvchilari ajraladigan tenglamalarda yechimni topish bilan bir qatorda, hosil bo'lgan funksiyaning xarakterini, kvadrat tenglamalar orqali oshkor tarmoqlarni to'g'ri tanlashni hamda yechimning mavjudlik oralig'ini qat'iy aniqlashni o'rganish nihoyatda muhimdir.