Методы решения физико-математических задач

Линейные дифференциальные уравнения в частных производных первого порядка

Линейные уравнения в частных производных первого порядка
Представлены способы решения линейных однородных и неоднородных дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка методом характеристик. Даны примеры решения таких задач. В разобранных примерах получено общее решение заданного уравнения. На его основе найдено частное решение, удовлетворяющее заданным граничным условиям.

Линейные однородные уравнения в частных производных первого порядка

Пусть X1, X2, ..., Xn – заданные функции переменных x1, x2, ..., xn .

Чтобы решить линейное однородное уравнение в частных производных первого порядка:
X1 ∂u∂x1  + X2 ∂u∂x2  + ... + Xn ∂u∂xn  = 0
необходимо решить систему обыкновенных дифференциальных уравнений (уравнение характеристик):
dx1 X1  = dx2 X2  =  ...   = dxn Xn   : 
Далее нужно представить решение в виде:
φ1(x1, x2, ..., xn ) = C1 ,
φ2(x1, x2, ..., xn ) = C2 ,
..................
φn-1(x1, x2, ..., xn ) = Cn-1 ,
где Ck – постоянные.
После чего сразу получаем общее решение:
u = F (φ1 , φ2 , ..., φn – 1 )  , 
где F – произвольная функция от n – 1 аргументов.

Если нужно получить частное решение с определенными граничными условиями, то необходимо подставить значения переменных из граничных условий в общее решение и найти вид функции F .

Линейные неоднородные уравнения в частных производных первого порядка

Пусть X1, X2, ..., Xn+1 – заданные функции от переменных x1, x2, ..., xn и z .

Чтобы решить линейное неоднородное уравнение в частных производных первого порядка:
X1 ∂z∂x1  + X2 ∂z∂x2  + ... + Xn ∂z∂xn  = Xn + 1  , 
необходимо решить уравнение характеристик:
dx1 X1  = dx2 X2  =  ...   = dxn Xn  = dzXn + 1   . 
Решение этой системы нужно представить в следующем виде:
φ1(x1, x2, ..., xn , z ) = C1 ,
φ2(x1, x2, ..., xn , z ) = C2 ,
..................
φn(x1, x2, ..., xn , z ) = Cn .
После чего сразу получаем общий интеграл в неявном виде:
F (φ1 , φ2 , ..., φn )  = 0
где F – произвольная функция. Также общий интеграл можно представить в различных вариантах, например:
φ1 = F(φ2, φ3, ..., φn) ,
φ2 = F(φ1, φ3, ..., φn) ,
и т. д.

Примеры решений линейных уравнений в частных производных первого порядка

Однородное уравнение

Найти общее решение линейного однородного уравнения в частных производных первого порядка и решить задачу Коши с указанным граничным условием:
x ∂u∂x – 12 y ∂u∂y +  (z + x 4 y 2 ) ∂u∂z = 0 , 
u = 2z – x 2 2x 2    при  xy = – 1 . 

Решение

Это линейное однородное уравнение в частных производных первого порядка. Составляем уравнение характеристик:
dxx = – 2dyy = dzz + x 4 y 2  

Это уравнение характеристик содержит три уравнения:
dxx = – 2dyy  ; 
dxx = dzz + x 4 y 2   ; 
– 2dyy = dzz + x 4 y 2   . 
Нам нужно выбрать и решить любые два из них. Тогда третье будет выполнено автоматически.

Выбираем и решаем первое уравнение:
dxx = – 2dyy 
Здесь переменные уже разделены, интегрируем:
∫ dxx = – 2 ∫ dyy 
Интегралы табличные,
ln  | x |  = – 2 ln  | y |  + ln C1 
Потенцируем:
C1  = xy 2 
Отсюда
y 2  = C1 x 

Подставим во второе уравнение:
dxx = dzz + x 4 y 2  
dxx = dzz + x 4 C1 x  = dzz + C1 x 3  
Или:
dzdx = zx + C1 x 2 
Это линейное уравнение. Решаем с помощью интегрирующего множителя. Умножим на x -1 и преобразуем:
x – 1 dzdx – x – 2 z = C1 x
x – 1 dzdx + dx – 1 dx z = C1 x
ddx (x – 1 z )  = C1 x
Интегрируем:
x – 1 z = C1 ∫ x dx + C2  =  C1 2 x 2  + C2 
Подставим полученное ранее выражение C1 = x y 2 :
x – 1 z = xy 2 2 x 2  + C2  = 12 x 3 y 2  + C2 
C2  = zx – 12 x 3 y 2 

Итак, мы нашли два интеграла уравнения характеристик:
φ1  = xy 2  = C1 
φ2  = zx – 12 x 3 y 2  = C2 

Общее решение исходного уравнения в частных производных имеет вид:
u = F (φ1 , φ2 )  =  F (xy 2 , zx – 12 x 3 y 2 ) 
где F - произвольная функция от двух аргументов F(φ1, φ2) . Найдем ее вид из граничного условия
u = 2z – x 2 2x 2    при  xy = – 1 . 

Рассматриваем решение на границе.
Положим x y = –1 :
φ1  = xy 2  = (xy )  2 x = (– 1 )  2 x = 1x 
φ2  = zx – 12 x 3 y 2  =  zx – 12 x (xy )  2  = zx – 12 x
Отсюда
x = 1φ1  
zx 2  = φ2 x + 12 = φ1 φ2  + 12 
На границе
u = 2z – x 2 2x 2  = zx 2  – 12 =  φ1 φ2  + 12 – 12 = φ1 φ2  . 

Итак, мы нашли, что на границе функция F имеет вид:
F(φ1, φ2) = φ1 φ2 .
Такой же вид она имеет и во всей области
Подставляя
φ1  = xy 2  ; 
φ2  = zx – 12 x 3 y 2  , 
получаем частное решение исходного уравнения в частных производных с заданным граничным условием:
u = F (φ1 , φ2 )  = φ1 φ2  =  xy 2 ( zx – 12 x 3 y 2  )  = y 2 z – 12 x 4 y 4 

Ответ

Общее решение:
u = F (xy 2 , zx – 12 x 3 y 2 ) 
где F - произвольная функция от двух аргументов F(φ1, φ2) .

Частное решение:
u = y 2 z – 12 x 4 y 4 

Неоднородное уравнение

Найти поверхность, удовлетворяющую данному уравнению
2xz ∂z∂x + 2yz ∂z∂y = z 2  – x 2  – y 2  , 
и проходящую через данную окружность x + y + z = 0 , x2 + y2 + z2 = a2 .

Решение

Это линейное неоднородное уравнение в частных производных первого порядка. Составляем уравнение характеристик:
dx2xz = dy2yz = dzz 2  – x 2  – y 2  

Оно содержит три уравнения:
dx2xz = dy2yz  ; 
dy2yz = dzz 2  – x 2  – y 2   ; 
dx2xz = dzz 2  – x 2  – y 2   . 
Нам нужно выбрать и решить любые два из них. Тогда третье удовлетворится автоматически. Выбираем первое и второе уравнения.

Решаем уравнение:
dx2xz = dy2yz 
Умножаем на 2 z и интегрируем:
∫ dxx = ∫ dyy 
Интегралы табличные,
ln  | x |  = ln  | y |  + ln C1 
Потенцируем:
xy = C1 
Отсюда
x = C1 y

Подставим во второе уравнение:
dy2yz = dzz 2  – x 2  – y 2  
dy2yz = dzz 2  – (C1 y )  2  – y 2  
Или:
z 2  – (1 + C 21 ) y 2  = y 2z dzdy 
Замечаем, что 2z dz = d z 2  ,  тогда
z 2  – (1 + C 21 ) y 2  = y  dz 2 dy 
Это линейное уравнение. Решаем с помощью интегрирующего множителя. Разделим на y 2 и преобразуем:
dz 2 dy ⋅ 1y + z 2  ⋅ ( – 1y 2   )  =  – (1 + C 21 ) 
ddy ( z 2 y  )  = – (1 + C 21 ) 
Интегрируем:
z 2 y = – (1 + C 21 ) ∫ dy =  – (1 + C 21 ) y + C2 
Подставим полученное ранее выражение C1  = xy  и преобразуем:
z 2 y =  – ( 1 + ( xy  )  2  ) y + C2 
x 2  + y 2  + z 2 y = C2 

Итак, мы нашли два интеграла уравнения характеристик:
xy = C1 
x 2  + y 2  + z 2 y = C2 

Для удобства дальнейших вычислений заметим, что функция от постоянной также является постоянной. Поэтому запишем интегралы в виде:
φ1  = 2( xy  )  2  + 2 xy = C1 
φ2  = yx 2  + y 2  + z 2  = C2 

Общий интеграл исходного уравнения в частных производных имеет вид:
F(φ1, φ2) = 0
Но, поскольку F - произвольная функция от двух аргументов, то общий интеграл можно записать также в виде:
φ1 = F(φ2) ,
где F - произвольная функция от одного аргумента.

Найдем вид этой функции, рассматривая решение на границе.
На границе, x 2 + y 2 + z 2 = a 2 , φ2  = ya 2   . 
Из уравнения x + y + z = 0 , z = –(x + y) . Подставим в x 2 + y 2 + z 2 = a 2 и преобразуем:
x 2 + y 2 + (x + y) 2 = a 2
x 2 + y 2 + x 2 + 2xy + y 2 = a 2
2x 2 + 2xy + 2y 2 = a 2
Разделив на y 2 , имеем
φ1  = 2( xy  )  2  + 2 xy = a 2 y 2  – 2
Итак, мы нашли, что на границе:
φ1  = a 2 y 2  – 2
φ2  = ya 2   . 
Подставим в выражение общего интеграла:
φ1 = F(φ2)
a 2 y 2  – 2 = F ( ya 2   )  . 
Сделаем подстановку
t = ya 2  ,  y = a 2 t  : 
F (t )  = a 2 y 2  – 2 = a 2 a 4 t 2  – 2 =  1a 2 t 2  – 2 . 

Итак, мы нашли, что на границе функция F имеет вид:
F (t )  = 1a 2 t 2  – 2 . 
Такой же вид она имеет и во всей области, тогда
φ1  = F (φ2 )  = 1a 2 φ 22  – 2 . 
Подставляем выражения для φ1 и φ2 :
φ1  = 2( xy  )  2  + 2 xy 
φ2  = yx 2  + y 2  + z 2  
2( xy  )  2  + 2 xy =  (x 2  + y 2  + z 2 )  2 a 2 y 2  – 2 . 
Умножим на a 2y 2 .

Ответ

(x 2  + y 2  + z 2 )  2  =  2a 2 (x 2  + y 2  + xy ) 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню