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AP Ecuaciones Diferenciales Ordinarias

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  hi  =  xx+1 − xi    x  

 

  y = f (x, y)  

 

y(n) =   f (x,y,y

, y

,....,y(n+1))  

 

 

 

 

 

 

y = f (x, y)  

  y  = y(x)  

y = f (x, y(x))  

  y  =  y(x)  

  y = f (x, y(x))    (xi, yi)  

  y  =  y(x)  

 

(xi, yi)  

 

 

(x, y)  

  x

 

dy

dx  = x

    dy  =

   x dx   ⇒   y =

 x2

2  + C 

 

P   = (x0, y0)  

  x0  

  P   

 

y =   x   

 

 

 

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  y = f (x, y(x))    D    xy  

 

L >  0

  |f (x, y2) − f (x, y1)| ≤ L|y2 − y1|  

  D

 

 

y =  f (x, y)  

  f (x, y)  

  D  

  xy 

  D  

  (x0, y0)   ∈   D    y(x)  

 

y = f (x, y(x))  

  y(x0) = y0

 

 

   

 

h → 0  

 

 

 

h →  0

   

 

h →  0

   

 

 

 

 

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n  

  n  

 

 

t = 0

 

 

 

 

 

 

y  = y (x)  

  y

= f (x, y(x))  

  y  =  y(x)  

  m + 1  

x0  

  x0

y(x) = y(x0)+y(x0)(x−x0)+y(x0)

2!  (x−x0)2+

y(x0)

3!  (x−x0)3+ ...+

ym(x0)

m!  (x−x0)m+

 ym+1(ξ )

(m + 1)!(x−x0)m+1

  ξ  ∈  (x0, x)

y = f (x, y(x))   y = f x + f  · f y   y = f xx + 2f  · f xy + f 2 · f xy + f x · f y + f  · f 2y

  f x    f     x   f y    f     y

 

h

xn  =  x0 + n · h    n = 0, 1, 2, 3...

  m = 2  

yn+1 =  yn + hf (xn, yn) + h2

2! (f x + f  · f y)2 + ... +

 h3

3! f (2)(ξ,y(ξ))

  ξ  ∈  (xn, xn+1)     h =  xn+1 − xn

 

 

 

 

  y = −y + x + 1    [0;1]    y0 = 1  

 

x = 1  

  h = 0, 1

 

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y = −y + x + 1

 

y = f x + f  · f y  = 1 + (−y + x + 1)(−1) = y  + x

yn+1 =  yn + h · (−yn + xn + 1) + h2

2! (yn − xn)2 + E T 

  y(x)  

  n = 0   ⇒   x0 = 0   ∧   y0 = 1

y1 =  y0 + h · (−y0 + x0 + 1) + h2

2! (y0 − x0)2 = 1, 00500

  n = 1   ⇒   x1 = 0, 1   ∧   y1 = 1, 00500

y2 =  y1 + h · (−y1 + x1 + 1) + h2

2! (y1 − x1)2 = 1, 01859

  n = 9   ⇒   x9 = 0, 9   ∧   y9 = 1, 30101

y10 =  y9 + h · (−y9 + x9 + 1) + h2

2! (y9 − x9)2 = 1, 36171

y(1) ≈  1, 36171

 

 

y = f (x, y(x))  

  y(x0) = y0  

 

h  

  xn  =  x0 + n · h  

  n = 0, 1, 2, 3,...   xn  ≤  x  ≤  xn+1    yn

 

x =  xn

yn+1 =  yn +

   xn+1

xn

f (t, y(t)) dt

 

y(t)  

  y(t)  

  f 

 

f   

 

  y

 

yn+1 =  yn + h · f (xn, yn)

 

 

yn+1 =  yn + h · y(xn, yn) + h2

2! y(ξ )

  h2  

 

h

  O(h)

 

 

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y = −y + x + 1  

  [0;1]  

  y0 = 1  

  x = 1    h = 0, 1

 

 

f (x, y) =   −y +  x  + 1  

yn+1 =  yn + h (−yn + xn + 1)

 

n  

  yn  

 

n = 0   ⇒   x0 = 0   ∧   y0 = 1

y1 =  y0 + h (−y0 + x0 + 1) = 1,0000

 

n = 1   ⇒   x1 = 0, 1   ∧   y1 = 1

y2 =  y1 + h (−y1 + x1 + 1) = 1,0100

 

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n = 9   ⇒   x9 = 0, 9   ∧   y9 = 1, 28742

y10 =  y9 + h (−y9 + x9 + 1) = 1,34868

y(1) ≈  1, 34868

 

 

h

  h  

 

  f (x, y)

 

  xn, yn  

mn  = f (xn, yn) + f (xn+1, yn+1)

2  

y  =  yn + h

2  ·

 f (xn, yn) + f (xn+1, yn+1)

2  · (x − xn)

 

xn+1 =  xn + h  

yn+1 =  yn + h

2  · [f (xn, yn) + f (xn+1, yn+1)]

 

xn+1  

yn+1 =  yn + h

2 [f (xn, yn) + f (xn+1, yn + h · f (xn, yn))]

 

  h3   h2

 

O(h2)

 

 

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y = −y + x + 1  

  [0;1]  

  y0 = 1  

  x = 1    h = 0, 1

 

  f (x, y) =   −y +  x  + 1  

yn+1 =  yn + h

2 [(−yn + xn + 1)   

f (xn,yn)

+ (−yn + h (−yn + xn + 1)   yn+1   Euler simple

+xn+1 + 1)

  n    yn  

  n = 0   ⇒   x0 = 0 , x1 = 0,1   ∧  y0 = 1

y1

 =  y0

 + h

2 [(−y

0 + x

0 + 1) + (−y

0 + h (−y

0 + x

0 + 1) + x

1 + 1) = 1, 00500

  n = 1   ⇒   x1 = 0, 1 , x2 = 0,2  ∧   y1 = 1, 00500

y2 =  y1 + h

2 [(−y1 + x1 + 1) + (−y1 + h (−y1 + x1 + 1) + x2 + 1) = 1, 01902

  n = 9   ⇒   x0 = 0, 9 , x10 = 1  ∧   y9 = 1, 30723

y10 =  y9 + h

2

 [(−y9 + x9 + 1) + (−y9 + h (−y9 + x9 + 1) + x10 + 1) = 1, 36854

y(1) ≈  1, 34854

 

 

xn+1  

yn+1 =  yn + h f (xn, yn)

 

yk+1n+1 =  yn +

 h

2 [f (xn, yn) + f (xn+1, ykn+1)]

 

   

 

 

y = −y + x + 1  

  [0;1]  

  y0 = 1  

  x  = 0, 1  

  10−5

 

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f (x, y) =   −y +  x  + 1  

ykn+1 =  yn + h (−yn + xn + 1)   n = 0, 1, 2, 3,...

 

k = 0 , n = 0 x0   ∧  y0y01  = y0 + h (−y0 + x0 + 1) = 1, 000000

yk+11   = y0 +

 h

2 [f (x0, y0) + f (x1, yk1 )]   k = 1, 2, 3,...

 

E kn  =  |ykn+1 − yk−1n+1|

 

 

k = 1   y11  = y0 +   h2

 [f (x0, y0) + f (x1, y01)] = 1, 005000   ⇒   E 10  = |y11 − y01 | = 0, 00500

 

k = 2   y

2

1  = y0 +

  h

2 [f (x0, y0) + f (x1, y

1

1)] = 1, 004750   ⇒   E 

2

0  = |y

2

1 − y

1

1 | = 0, 00025  

k = 3   y31  = y0 +   h2

 [f (x0, y0) + f (x1, y21)] = 1, 004762   ⇒   E 30  = |y31 − y21 | = 0, 000012

  k = 4   y41  = y0 +   h2 [f (x0, y0) + f (x1, y31)] = 1, 004763   ⇒   E 40  = |y41 − y31 | <  10−5

  n = 1, 2, 3, ..

 

 

yn+1 =  yn + h φ(xn, yn, h)

  φ(xn, yn, h)  

 

[x0; x1]  

  f (x, y)

 

 

 

yn+1 =  yn + w1 K 1 + w2 K 2

 

K 1 =  h f (xn, yn)   K 2 =  h f (xn + α h , yn + β K 1)

  w1, w2, α     β   

w1 + w2 = 1   w2 =  1

2 α  w2 =

  1

2 β 

 

 

α =  β  = 1

yn+1 =  yn + h (1

2K 1 +

 1

2K 2)

K 1 =  f (xn, yn)K 2 =  f (xn + h, yn + h K 1)

 

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 α =  β  = 1/2

yn+1 =  yn + h K 2

K 1 =  f (xn, yn)

K 2 =  f (xn +  h2

, yn +  h K 12

  )

 

 

 

yn+1 =  yn + h

6  · (K 1 + 2K 2 + 2K 3 + K 4)

K 1 =  f (xn, yn)

K 2 =  f (xn + h

2, yn +

 h

2K 1)

K 3 =  f (xn + h

2, yn +

 h

2K 2)

K 4 =  f (xn + h, yn + h K 3)

 

  y = −y + x + 1    [0;1]    y0 = 1  

  x = 1  

 

   h = 0, 1

 

 

K   

  y(xn)

  n = 0 , x0 = 0   ∧ y0 = 1

K 1 =  f (x0, y0) = −y0 + x0 + 1 = −1 + 0 + 1 = 0

K 2 =  f (x0 + h

2, y0 +

 1

2K 1h) = f (0, 05, 1) = −1 + 0, 05 + 1 = 0, 05000

K 3 =  f (x0 + h

2, y0 +

 1

2K 2h) = f (0, 05, 1, 0025) = −1, 0025 + 0, 05 + 1 = 0, 04750

K 4 =  f (x0 + h, y0 + K 3h) = f (0, 1, 1, 00475) = −1, 00475 + 0, 1 + 1 = 0, 09525

y1 =  y0 + h

6(K 1 + 2 K 2 + 2 K 3 + k4) = 1, 00484

 

n = 1 , x1 = 0, 1   ∧ y0 = 1, 00484

K 1 =  f (x1, y1) = −y1 + x1 + 1 = −1, 00484 + 0, 1 + 1 = 0, 0951611

K 2 =  f (x1 + h

2, y1 +

 1

2K 1h) = f (0, 15, 1, 00960) = −1, 00960 + 0, 15 + 1 = 0, 14040

K 3 =  f (x1 + h

2, y1 +

 1

2K 2h) = f (0, 15, 1, 01186) = −1, 01186 + 0, 15 + 1 = 0, 13814

K 4 =  f (x1 + h, y1 + K 3h) = f (0, 2, 1, 01865) = −1, 01865 + 0, 2 + 1 = 0, 018135

y2 =  y1 + h

6(K 1 + 2 K 2 + 2 K 3 + k4) = 1, 01873

 

n = 9 , x9 = 0, 9   ∧ y0 = 1, 30657

y10 =  y9 +  h6

(K 1 + 2 K 2 + 2 K 3 + k4) = 1, 36788   ⇒   y(1) = 1, 36788

 

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  y = f (x, y(x))    y(x0) = y0    h  

 

xn  =  x0 + n · h  

  n = 0, 1, 2, 3...   y1    y2  

 

y0  

  y1

  y(x)    xn

y(xn+h) = yn+1 =  yn + h y n + h2

2! yn + ...

y(xn−h) = yn−1 =  yn − h y n + h2

2! yn + ...

 

yn+1 =  yn−1 + 2h yn   n = 1, 2, 3...

 

E  pT   =  h3

3 y(ξ )(3)

 

yn+1  

yk+1n+1 =  yn +

 h

2  [f (xn, yn) + f (xn+1, ykn+1)]

E cT   = − h3

12y(ξ )(3)

 

 

f (x, y)  

  N   

  (xi, yi)  

 

y(x)

 

 

[xn−N , xn]  

 

[xn− p, xn+1]

 

 

  f (x, y)

N   = 0   ⇒   yn+1 =  yn + h f n

N   = 1   ⇒   yn+1 =  yn + h

2  (3 f n − f n−1)

N   = 2   ⇒   yn+1 =  yn +  h

12 (23 f n − 16 f n−1 + 5  f n−2)

N   = 3   ⇒   yn+1 =  yn +   h24

 (55 f n − 59 f n−1 + 37  f n−2 − 9 f n−3)

 

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y = −y + x + 1  

  [0;1]  

  y0 = 1  

  x   = 1    N   = 3    y1, y2, y3  

 

 

h = 0, 1

n xn   yn   f (xn, yn)  

 

 

 

 

 

 

N  = 3

y4 =  y3 +  h

24  (55 f 3 − 59 f 2 + 37  f 1 − 9 f 0) = 1, 07032

y5 =  y4 +  h

24  (55 f 4 − 59 f 3 + 37  f 2 − 9 f 1) = 1, 10654

y10 =  y9 +  h

24  (55 f 9 − 59 f 8 + 37  f 7 − 9 f 6) = 1, 36789   ⇒   y(1) = 1, 36789

 

  [xn−N , xn]  

 

[xn− p, xn+1]  

  yn+1    yn+1

 

 

yn+1  

 

  f (x, y)  

N   = 0   ⇒   yn+1 =  yn + h

2  · (f n + f n+1)  

N   = 1   ⇒   yn+1 =  yn + h

3(

5

4 f n+1 + 2  f n −

 1

4  f n−1)

N   = 2   ⇒   yn+1 =  yn +  h

24(9 f n+1 + 19  f n − 5 f n−1 + f n−2)

N   = 3   ⇒   yn+1 =  yn +  h

720(251 f n+1 + 646 f n − 264 f n−1 + 106 f n−2 − 19 f n−3)

 

  y = −y + x + 1    [0;1]    y0 = 1  

 

x   = 1  

  N   = 1  

  y1, y2, y3  

 

  h = 0, 1

 

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n xn   yn   f (xn, yn)  

 

 

 

 

 

  n = 3   y04  = y3 +  h

12  (23 f 2 − 16 f 1 + 5  f 0) = 1, 070324  

•   y14  = y3 + h

3(

5

4  f 04  + 2 f 3 −

 1

4  f 2) = 1, 070324

 

•   y24  = y3 + h

3(

5

4  f 14  + 2 f 3 −

 1

4  f 2) = 1, 070323

 

  n = 9   y010 =  y9 +   h12

  (23 f 8 − 16 f 7 + 5  f 6) = 1, 367879  

•   y110 =  y9 + h

3(

5

4 f 010 + 2  f 9 −

 1

4  f 8) = 1, 367897

 

•   y210 =  y9 + h

3(

5

4 f 110 + 2  f 9 −

 1

4  f 8) = 1, 367897

 

⇒   y(1) = 1, 367897

 

 

 

 

 

y1 =  f 1(x, y1, y2, y3,.....,yN )y2 =  f 2(x, y1, y2, y3,.....,yN )y3 =  f 3(x, y1, y2, y3,.....,yN )y4 =  f 4(x, y1, y2, y3,.....,yN )...........................................yN   = f N (x, y1, y2, y3,.....,yN )

y1(x =  x0) = y1(0)y2(x =  x0) = y2(0)y3(x =  x0) = y3(0)y4(x =  x0) = y4(0)....................yN (x =  x0) = yN (0)

 

n    n = 0, 1, 2, 3, 4,...

 

 

y1,n+1 =  y1,n + h f 1(x, y1,n, y2,n, y3,n,.....,yN,n)   n = 0, 1, 2, 3... y1(x =  x0) = y1(0)y2,n+1 =  y2,n + h f 2(x, y1,n, y2,n, y3,n,.....,yN,n)   n = 0, 1, 2, 3... y2(x =  x0) = y2(0)

...........................................yN,n+1 =  yN,n  + h f N (x, y1,n, y2,n, y3,n,.....,yN,n)   n = 0, 1, 2, 3... yN (x =  x0) = yN (0)

 

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  [ 0 ; 0, 6]    h = 0, 2

  y1 =  f 1(x, y1, y2) = −y1 + 2 x + y2

y2 =  f 2(x, y1, y2) = 0, 6 y1 + x   y1(x0) = y1,0 = 1, 25

y2(x0) = y2,0 = 2, 34

 

  n = 0  y1,1 =  y1,0 + h (−y1,0 + 2 x0 + y2,0) = 1, 46800y2,1 =  y2,0 + h (0, 6 y1,0 + x0) = 2, 49000

 

n = 1  y1,2 =  y1,1 + h (−y1,1 + 2 x1 + y2,1) = 1, 75240y2,2 =  y2,1 + h (0, 6 y1,1 + x1) = 2, 70616

 

n = 2  y1,3 =  y1,2 + h (−y1,2 + 2 x2 + y2,2) = 2, 10315y2,3 =  y2,2 + h (0, 6 y1,2 + x2) = 2, 99645

 

 

 

 

 

 

K 1  

  N 

K 1,1 =  f 1(x0, y1,0, y2,0,....,yN,0)K 1,2 =  f 2(x0, y1,0, y2,0,....,yN,0)...........................................K 1,N  = f N (x0, y1,0, y2,0,....,yN,0)

  K 2

K 2,1 =  f 1(x0 + h

2, y1,0 +

 h

2K 1,1, y2,0 +

 h

2K 1,2,....,yN,0 +

 h

2K 1,N )

K 2,2 =  f 2(x0 + h

2, y1,0 +

 h

2K 1,1, y2,0 +

 h

2K 1,2,....,yN,0 +

 h

2K 1,N )

..................................................................................................

K 2,N   = f N (x0 + h

2, y1,0 +

 h

2K 1,1, y2,0 +

 h

2K 1,2,....,yN,0 +

 h

2K 1,N )

 

K 3

K 3,1 =  f 1(x0 +  h2

, y1,0 +  h2

K 2,1, y2,0 +  h2

K 2,2,....,yN,0 +  h2

K 2,N )

K 3,2 =  f 2(x0 + h

2, y1,0 +

 h

2K 2,1, y2,0 +

 h

2K 2,2,....,yN,0 +

 h

2K 2,N )

..................................................................................................

K 3,N   = f N (x0 + h

2, y1,0 +

 h

2K 2,1, y2,0 +

 h

2K 2,2,....,yN,0 +

 h

2K 2,N )

 

K 3

K 4,1 =  f 1(x0 + h, y1,0 + hK 3,1, y2,0 + hK 3,2,....,yN,0 + hK 3,N )K 4,2 =  f 2(x0 + h, y1,0 + hK 3,1, y2,0 + hK 3,2,....,yN,0 + hK 3,N )..................................................................................................

K 4,N  = f N (x0 + h, y1,0 + hK 3,1, y2,0 + hK 3,2,....,yN,0 + hK 3,N )   x =  x1

 

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y1,1 =  y1,0 + h

6(K 1,1 + 2  K 2,1 + 2  K 3,1 + K 4,1)

y2,1 =  y2,0 + h

6(K 1,2 + 2  K 2,2 + 2  K 3,2 + K 4,2)

...........................................

yN,1 =  yN,6 +

 h

6 (K 1,N  + 2 K 2,N  + 2 K 3,N  + K 4,N )

 

 

 

 

 

 

 

y(m) = f (x, y

, y

, y(3),....,y(m−

1))

 

y(x =  x0) = y0 , y(x =  x0) = y0 , y(x =  x0) = y 0   , y(3)(x =  x0) = y(3)0   , ... , y(m)(x =  x0) = y(m)

0

y1 =  y(x)   , y2 =  y (x)   , y3 =  y (x)   , y4 =  y(3)(x)   , ... , ym =  y(m−1)(x)

y1 =  f 1(x, y1, y2, y3,.....,ym)

y

2 =  f 2(x, y1, y2, y3,.....,ym)...................................ym =  f m(x, y1, y2, y3,.....,ym)

y1(x =  x0) = y0

y2(x =  x0) = y

0.............ym(x =  x0) = y0

 

y + 2 y + 5 y = 3 x2 + 10

  y(x0) = y0 = 4y(x0) = y 0 =  −2

 

y1 =  dy

dx  = f 1(x, y1, y2) = y2

y2 = dy2

dx  =

  d2y2dx2

  = y(x) = f 2(x, y1, y2) = 3 x2 + 10 − 5 y1 − 2 y2

  y1(x0) = y0 = 4y2(x0) = y 0 =  −2

 

 

 

 

 

 

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m y(x) + c y(x) + k y(x) = p(x)y1(x =  x0) = y0y2(x =  x0) = y 0

yn  = yn+1 − yn−1

2h  yn  =

 yn+1 − 2yn + yn−1

h2

 

m  yn+1 − 2yn + yn−1

h2  + c

  yn+1 − yn−1

2h  + k yn  =  pn

yn+1 =

 pn − m

h2

 −  c

2hyn−1 − k −

 2m

h2 yn

m

h2  +

  c

2h

 

n − 1  

  y    n − 1

 

 

h

T   <

  1

π

 

T   =   2π  k

m

 

 

 

n  

  n  

 

 

x  =  x0  

  x  =  xn

 

 

  i

 

y(x) + p(x)y(x) + q (x)y(x) = r(x)

  α y(a) + β y(0) = µγ y(b) + δ y(b) = ν 

   p(x), q (x), r(x)    [a, b]    α,β,γ,δ,µ,ν 

 

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y(x)

y(x) + p(x)y(x) + q (x)y(x) = r(x)

  y(x =  a) = ya

y(x =  b) = yb

  [a; b]    n    h  

yi  = yi+1 − yi−1

2h

  yi   = yi+1 − 2yi + yi−1

h2

 

yi+1 − 2yi + yi−1

h2  + pi

yi+1 − yi−1

2h  + q i  yi  =  ri

  i 1 −

 h

2  pi

  yi−1 + (h2 q i − 2) yi +

1 −

 h

2  pi

  yi+1 =  h2 ri   i = 1, 2, 3,...n − 1

 

i = 1 1 − h

2  p

1   y0

 + (h2 q 1

 − 2) y1

 + 1 − h

2  p

1   y2

 =  h2 r1

i = 2

1 −

 h

2  p2

  y1 + (h2 q 2 − 2) y2 +

1 −

 h

2  p2

  y3 =  h2 r2

i = 3

1 −

 h

2  p3

  y2 + (h2 q 3 − 2) y3 +

1 −

 h

2  p3

  y4 =  h2 r3

...........................................................................................................

i =  n − 1

1 −

 h

2  pn−1

  yn−2 + (h2 q n−1 − 2) yn−1 +

1 −

 h

2  pn−1

  yn  =  h2 rn−1

  n − 1    n − 1

 

 

y + 4 y =  −10 x2

  y(x = 0) = 0y(x = 6) = 30

 

[0; 6]

 

  h = 1  

y(x)

yi+1 − 2yi + yi−1

h2  + 4 y

i =  −10 x2

i

  h = 1

 

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yi−1 + 2 yi + yi+1 =  −10 x2i

 

i = 1   y0 + 2 y1 + y2 =  −10 x21

i = 2   y1 + 2 y2 + y3 =  −10 x22

i = 3   y2 + 2 y3 + y4 =  −10 x23

i = 4   y3 + 2 y4 + y5 =  −10 x24

i = 5   y4 + 2 y5 + y6 =  −10 x25

2 1 0 0 01 2 1 0 00 1 2 1 0

0 0 1 2 10 0 0 1 2

y1y2y3y4y5

=

−10−40−90

−160−280

y1y2y3y4y5

=

−2030

−80

40−160

  x = 3    y(3) = −80

 

d

dx( p(x)y(x)) + (q (x) + λ r(x)) y(x) = 0

  α y(a) + β y(a) = 0γ y(b) + δ y(b) = 0

 

 p(x) >  0, q (x) >  0 

  p(x), p(x), q (x), r(x)  

  [a, b]  

  α , β , γ , δ  

  λ  

 

 

 

  h = 1

y + p y = 0

  y(x = 0) = y0 = 0y(x = 4) = y4 = 0

 

  y(x)  

 

yi+1 − 2yi + yi−1

h2  − p yi  = 0

 

h = 1  

  yi−1 + ( p − 2) yi + yi+1 = 0  

i = 1   y0 + ( p − 2) y1 + y2 = 0

i = 2   y1

 + ( p − 2) y2

 + y3

 = 0

i = 3   y2 + ( p − 2) y3 + y4 = 0

 

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(2 − p)   −1 0

−1 (2 − p)   −10   −1 (2 − p)

y1

y2y3

 =

0

00

(2 − p)3 − 2 (2 − p) = 0

   p1 = 0,58578   p2 = 2,00000     p3 = 3,41421  

 

 p =  p1 = 0,58578

1,41422   −1 0−1 1,41422   −10   −1 1,41422

y1y2y3

 =

000

 

y1 = 1  

φ1 =

y11

y21y31

 =

1,0000

1,41421,0000

   p =  p2 = 2,00000

φ2 =

y12

y22y32

 =

1,0000

0,0000−1,0000

 

 p =  p3 = 3,41421

φ3 =

y13

y23y33

 =

1,0000

−1,41421,0000