Дифференциальное уравнение Риккати
- Дифференциальное уравнение Риккати
- – это уравнение вида
y ′ + p (x ) y + q (x ) y 2  + r (x )  = 0 .
Общее решение этого уравнения можно получить только в некоторых частных случаях.
Решение дифференциального уравнения Риккати при известном частном решении
Рассмотрим дифференциальное уравнение Риккати:
(1) y ′ + p (x ) y + q (x ) y 2  + r (x )  = 0 .
Пусть известно его частное решение y1 (x )   :
y ′1  + p (x ) y1  + q (x ) y1  2  + r (x )  = 0
Тогда подстановкой y = y1  + u уравнение Риккати (1) приводится к уравнению Бернулли:
y ′1  + u ′ + p (x ) (y1  + u )  + q (x ) (y1  + u )  2  + r (x )  = 0 ;
y ′1  + u ′ + p (x ) (y1  + u )  + q (x ) (y 21  + 2y1 u + u 2 )  + r (x )  = 0 ;
y ′1  + p (x ) y1  + q (x ) y1  2  + r (x )  + u ′ + p (x ) u + q (x ) (2y1 u + u 2 )  = 0 ;
0 + u ′ + (p (x )  + 2q (x ) y1 ) u + q (x ) u 2  = 0 ;
u ′ + (p (x )  + 2q (x ) y1 ) u + q (x ) u 2  = 0 .
Это уравнение Бернулли с n = 2 .
Свойства уравнения Риккати
Не меняет вид уравнения:
- Произвольное преобразование независимого переменного:
x = φ (x1 )  - Произвольное дробно-линейное преобразование зависимого переменного:
y = αy1  + βγy1  + δ
При таких подстановках уравнение также является уравнением Риккати, но с другими функциями p, q, r.
Вид общего решения
Общее решение уравнения Риккати есть дробно-линейная функция от произвольной постоянной:
y = Cφ1 (x )  + φ2 (x ) Cψ1 (x )  + ψ2 (x ) 
И наоборот если общее решение уравнения есть дробно-линейная функция от произвольной постоянной, то соответствующее уравнение есть уравнение Риккати.
Упрощение уравнения Риккати
Снова рассмотрим дифференциальное уравнение Риккати:
(1) y ′ + p (x ) y + q (x ) y 2  + r (x )  = 0 .
Подстановкой
y = A y1 q ,
где А – постоянная, оно приводится к виду:
(2) y ′1  + p1 y1  + Ay1  2  + r1  = 0 ,
где p1  = p – q ′q ; r1  = r ⋅ qA .
Далее, подстановкой
y1  = y2  – p1 2A
оно приводится к виду:
(3) y ′2  + Ay 22  + r2  = 0
где r2  = r1  – p ′1 2A – p 21 4A .
Упрощенное уравнение Риккати
Упрощенное уравнение Риккати – это уравнение вида:
(4) y ′ + Ay 2  = Bx m  ,
где A, B – постоянные. Оно интегрируется при
m = – 4n2n + 1 ,
где n = ± 1, ± 2, ± 3... – целое.
Покажем это. Сделаем подстановку:
y = ux ; x m + 2  = t ;
y ′ = dydx = dudx x – ux 2  = 1x ⋅ dudx – ux 2  .
Подставляем в (4):
1x ⋅ dudx – ux 2  + A u 2 x 2  = Bx m  .
Умножаем на x 2   :
(5) x ⋅ dudx – u + Au 2  = Bx m + 2  = Bt .
Но
x ⋅ dudx = x m + 2 dux m + 1 dx = (m + 2 ) x m + 2 dudx m + 2  = (m + 2 ) t dudt = (m + 2 ) tu ′ .
Подставляем в (5):
(m + 2 ) tu ′ – u + Au 2  = Bt
Или
(6) tu ′ + αu + βu 2  = γt
где
α = – 1m + 2 ; β = Am + 2 ; γ = Bm + 2 .
Уравнение (6) интегрируется при
α = – 1 / 2 .
Для этого разделим его на u 2  и перепишем в следующем виде:
√ t  ⋅ √ t  u ′u 2  – 12 ⋅ 1u + β = γ tu 2  ;
– √ t  ( √ t  ( 1u  )  ′ + (√ t  )  ′ 1u  )  + β = γ tu 2  ;
– √ t  ( √ t  u  )  ′ + β = γ ( √ t  u  )  2  .
Это уравнение с разделяющимися переменными. Оно легко интегрируется.
При α ≠ – 12 уравнение (6) можно преобразовать двумя путями.
- Подстановкой u = tb + v , где b = 1 + αγ , оно преобразуется к виду: tv ′ + (α + 1 ) v + γv 2  = βt .
- Подстановкой u = a + t / v , где a = – α / β , оно преобразуется к виду: tv ′ + (α – 1 ) v + γv 2  = βt
Таким образом, при α = n + 1 / 2 , где n - целое число, ряд подстановок приводит к полному решению.
Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: