Методы решения физико-математических задач

Однородные относительно функции и ее производных дифференциальные уравнения высших порядков

Однородные дифференциальные уравнения высших порядков
Показано как распознать дифференциальное уравнение, однородное относительно функции и ее производных. Рассмотрен способ решения таких уравнений. Дан пример подробного решения однородного дифференциального уравнения второго порядка.
Дифференциальное уравнение высшего порядка, однородное относительно функции и ее производных
– это уравнение вида
f (x,  y,  y,  y′′,...,  y (n )  )  = 0 ,  где функция f обладает свойством
f (x,  ty,  ty,  ty′′,...,  ty (n )  )  = tp  f (x,  y,  y,  y′′,...,  y (n )  )  ,    p ≠ 0 . 
Такие уравнения можно выразить через произвольную функцию:
F(x, yy , y′′y , y′′′y , ⋅ ⋅ ⋅, y (n ) y  )  = 0 . 

Как распознать однородное дифференциальное уравнение высшего порядка

Для того, чтобы распознать дифференциальное уравнение, однородное относительно функции и ее производных, нужно ввести постоянную t и сделать замену y → ty, y' → ty', y'' → ty'', и т.д. Если, в результате такого преобразования, постоянная t сократится, то это дифференциальное уравнение, однородное относительно функции и ее производных.

Решение однородного дифференциального уравнения

Однородное дифференциальное уравнение высшего порядка допускает понижение порядка с помощью подстановки:
y = uy , 
где u – функция от x .
Действительно, тогда:
y′′ = (y )  = (uy )  = uy + uy = uy + uuy = y (u + u 2 )  ; 
y′′′ = (y′′ )  = (y (u + u 2 ) )  = y(u + u 2 )  + y (u + u 2 )  = 
uy (u + u 2 )  + y (u′′ + 2uu )  = y (u′′ + 3uu + u 3 )  . 
И т. д. Отсюда
yy = u ; 
y′′y = u + u 2  ; 
y′′′y = u′′ + 3uu + u 3  . 
И т. д. При подстановке в исходное уравнение
F(x, yy , y′′y , y′′′y , ...  )  = 0 , 
получаем уравнение относительно u , порядок которого понижен на единицу:
F (x, u, u + u 2 , u′′ + 3uu + u 3 , ... )  = 0 . 

Пример решения однородного дифференциального уравнения высшего порядка

Решить уравнение:
x 2yy′′ = (y – xy )  2  . 

Решение

Проверим, является ли данное уравнение однородным относительно функции и ее производных. Делаем замену
y → ty, y′ → ty′, y′′ → ty′′:
x 2tyty′′ = (ty – xty )  2  = t 2 (y – xy )  2  ; 
Или
t 2  ⋅ x 2yy′′ = t 2  ⋅ (y – xy )  2  . 
t сокращается. Поэтому это однородное уравнение.

Делаем подстановку:
y = uy . 
Тогда:
y′′ = (y )  = (uy )  = uy + uy = uy + uuy = y (u + u 2 )  . 
Подставляем в исходное уравнение:
x 2yy (u + u 2 )  = (y – xuy )  2  = y 2 (1 – xu )  2  . 
Сокращаем на y2 :
x 2 (u + u 2 )  = (1 – xu )  2  = 1 – 2xu + x 2u 2  ; 
x 2u + x 2u 2  = 1 – 2xu + x 2u 2  ; 
x 2u = 1 – 2xu ; 
x 2u + 2xu = 1 . 

Это линейное дифференциальное уравнение первого порядка. Оно решается с помощью интегрирующего множителя, который в данном случае равен единице:
x 2u + 2xu = x 2u + (x 2 ) u = d (x 2u ) dx = 1 . 
Отсюда:
x 2u = dx = x + C1  ; 
yy = u = 1x + C1x 2  ; 
dydxy = 1x + C1x 2  . 
Умножаем на dx и интегрируем:
dyy = (1x + C1x 2  )dx ; 
dyy = (1x + C1x 2  )dx = dxx + C1x – 2dx . 

Интегралы табличные:
ln  | y |  = ln  | x |  – C1x + ln C2  . 
Потенцируем (знак модуля сводится к умножению на постоянную ±1, которую включаем в C2):
y = C2xe – C1  / x  . 
Заменим постоянную C1 → - C1 .

Ответ

y = C2xeC1  / x  . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню