Однородные относительно функции и ее производных дифференциальные уравнения высших порядков
- 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 )  )  = t p  f (x, y, y ′, y ′′,..., y (n )  )  , p ≠ 0 .
Такие уравнения можно выразить через произвольную функцию:
F ( x, y ′y , 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 )  ′ = u ′y + uy ′ = u ′y + 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
y ′y = u ;
y ′′y = u ′ + u 2  ;
y ′′′y = u ′′ + 3uu ′ + u 3  .
И т. д. При подстановке в исходное уравнение
F ( x, y ′y , 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 2 yy ′′ = (y – xy ′ )  2  .
Решение
Проверим, является ли данное уравнение однородным относительно функции и ее производных. Делаем замену
y → ty, y′ → ty′, y′′ → ty′′:
x 2 tyty ′′ = (ty – xty ′ )  2  = t 2 (y – xy ′ )  2  ;
Или
t 2  ⋅ x 2 yy ′′ = t 2  ⋅ (y – xy ′ )  2  .
t сокращается. Поэтому это однородное уравнение.
Делаем подстановку:
y ′ = uy .
Тогда:
y ′′ = (y ′ )  ′ = (uy )  ′ = u ′y + uy ′ = u ′y + uuy = y (u ′ + u 2 )  .
Подставляем в исходное уравнение:
x 2 yy (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 2 u 2  ;
x 2 u ′ + x 2 u 2  = 1 – 2xu + x 2 u 2  ;
x 2 u ′ = 1 – 2xu ;
x 2 u ′ + 2xu = 1 .
Это линейное дифференциальное уравнение первого порядка. Оно решается с помощью интегрирующего множителя, который в данном случае равен единице:
x 2 u ′ + 2xu = x 2 u ′ + (x 2 )  ′u = d (x 2 u ) dx = 1 .
Отсюда:
x 2 u = ∫ dx = x + C1 ;
y ′y = u = 1x + C1 x 2  ;
dydx y = 1x + C1 x 2  .
Умножаем на dx и интегрируем:
dyy = ( 1x + C1 x 2   ) dx ;
∫ dyy = ∫ ( 1x + C1 x 2   ) dx = ∫ dxx + C1 ∫ x – 2 dx .
Интегралы табличные:
ln | y | = ln | x | – C1 x + ln C2 .
Потенцируем (знак модуля сводится к умножению на постоянную ±1, которую включаем в C2):
y = C2 xe – C1  / x  .
Заменим постоянную C1 → - C1 .
Ответ
y = C2 xe C1  / x  .
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: