Методы решения физико-математических задач

Дифференциальные уравнения высших порядков, не содержащие переменную в явном виде

Дифференциальные уравнения высших порядков, не содержащие переменную в явном виде
Рассмотрен метод решения дифференциального уравнения высшего порядка, не содержащего переменную x в явном виде. Такое уравнение сводится к уравнению более низкого порядка с помощью подстановки. Дан подробный пример решения такого уравнения.

Метод решения

Рассмотрим уравнение, не содержащее независимую переменную в явном виде:
(1)    f (y, y ′, y ′′, y ′′′,..., y (n )  )  = 0 . 
Порядок этого уравнения понижается на единицу с помощью подстановки:
y ′ = u
Далее считаем, что функция u зависит от переменной y , тогда:
y ′′ = (y ′ )  ′ = u ′ = dudx = dudy dydx =  y ′ dudy = u dudy  ; 
y ′′′ = (y ′′ )  ′ = dy ′′dx = dy ′′dy dydx =  u dy ′′dy = u ddy ( u dudy  )  =  u 2 d 2 udy 2  + u ( dudy  )  2  ; 
и т. д.

В результате такой подстановки, порядок уравнения понижается на единицу.

Пример

Решить уравнение:
2yy ′′ + y ′ 2  + y ′ 4  = 0 . 

Решение

Уравнение не содержит независимую переменную в явном виде. Делаем подстановку:
y ′ = u . 
Считаем, что функция u зависит от переменной y . Тогда
y ′′ = (y ′ )  ′ = u ′ = dudx = dudy dydx =  y ′ dudy = u dudy  . 

Подставляем в исходное уравнение:
2yu dudy + u 2  + u 4  = 0 . 
Делим на u . При u ≠ 0 имеем:
2y dudy + u + u 3  = 0 . 
Это уравнение с разделяющимися переменными. Делим на y (u + u 3 )  = yu (1 + u 2 )   и умножаем на dy . При  yu ≠ 0 имеем:
2 duu (u 2  + 1 )  + dyy = 0 . 
Интегрируем:
(2)   2 ∫ duu (u 2  + 1 )  + ∫ dyy = C1  . 

Вычисляем интегралы.
1u (u 2  + 1 )  = u 2  + 1 – u 2 u (u 2  + 1 )  =  1u – uu 2  + 1  ; 
∫ duu (u 2  + 1 )  =  ∫ duu – ∫ uduu 2  + 1 =  ln  | u |  – 12 ∫ d (u 2  + 1 ) u 2  + 1 =  ln  | u |  – 12 ln (u 2  + 1 )  ; 
∫ dyy = ln  | y |  . 

Подставляем в (2):
2 ln  | u |  – ln (u 2  + 1 )  + ln  | y |  = C1  . 
Потенцируем:
u 2  | y | u 2  + 1 = e C1   . 
Заменим постоянную интегрирования e C1   → 1C1  > 0 .  Знак модуля сводится к умножению на ±1 . Включим ±1 в постоянную C1  .  То есть мы теперь полагаем, что C1  может быть не только положительным, но и отрицательным числом. Тогда:
u 2 yu 2  + 1 = 1C1   . 

Выполняем преобразования:
u 2 C1 y = u 2  + 1 ; 
u 2 (C1 y – 1 )  = 1 . 
При  C1 y – 1 ≠ 0  имеем:
u 2  = 1C1 y – 1  ; 
u = dydx = ± 1√ C1 y – 1    . 

Разделяем переменные:
√ C1 y – 1   dy = ± dx . 
Интегрируем:
(3)   ∫ √ C1 y – 1   dy =  ± ∫ dx = ± (x + C2 )  . 

Вычисляем интеграл:
∫ √ C1 y – 1   dy =  1C1  ⋅ ∫ (C1 y – 1 )  1 / 2 d (C1 y – 1 )  = 
 1C1  ⋅ 11 / 2 + 1 (C1 y – 1 )  1 / 2 + 1  =  23C1  (C1 y – 1 )  3 / 2  . 
Подставляем в (3):
23C1  (C1 y – 1 )  3 / 2  = ± (x + C2 )  ; 
2(C1 y – 1 )  3 / 2  = ± 3C1 (x + C2 )  . 
Возводим в квадрат и выполняем преобразования:
4(C1 y – 1 )  3  = 9C 21 (x + C2 )  2  ; 
C1 y – 1 = ( 9C 21 4  )  1 / 3 (x + C2 )  2 / 3  ; 
(4)   y = 1C1  + ( 94C1   )  1 / 3 (x + C2 )  2 / 3  . 

При выводе формулы (4) мы предполагали, что
y ≠ 0,  u = y ′ ≠ 0  и   C1 y – 1 ≠ 0 . 
Теперь рассмотрим случаи
y = 0,  y ′ = 0,  C1 y – 1 = 0 . 
Нетрудно видеть, что решение, охватывающее эти три равенства, есть
(5)   y = C , 
где C – произвольная постоянная. Тогда y ′ = 0 .  Подставляя это в исходное уравнение нетрудно убедиться, что оно выполняется. Это особое решение. Добавим его в ответ.

Ответ

y = 1C1  + ( 94C1   )  1 / 3 (x + C2 )  2 / 3  ; 
y = C . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню