Методы решения физико-математических задач

Дифференциальное уравнение Риккати

Дифференциальное уравнение Риккати
Дано определение дифференциального уравнения Риккати. Рассмотрены его свойства, приведение к более простой форме и частные случаи решения.
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 )   : 
y1  + p (x ) y1  + q (x ) y1 2  + r (x )  = 0
Тогда подстановкой y = y1  + u уравнение Риккати (1) приводится к уравнению Бернулли:
y1  + u + p (x ) (y1  + u )  + q (x ) (y1  + u )  2  + r (x )  = 0 ; 
y1  + u + p (x ) (y1  + u )  + q (x ) (y 21  + 2y1u + u 2 )  + r (x )  = 0 ; 
y1  + p (x ) y1  + q (x ) y1 2  + r (x )  + u + p (x ) u + q (x ) (2y1u + 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:

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 = 1 (x )  + φ2 (x ) 1 (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 = Ay1q  , 
где А – постоянная, оно приводится к виду:
(2)   y1  + p1y1  + Ay1 2  + r1  = 0 , 
где p1  = p – qq ;  r1  = r ⋅ qA  . 

Далее, подстановкой
y1  = y2  – p12A
оно приводится к виду:
(3)   y2  + Ay 22  + r2  = 0
где r2  = r1  – p12A – p 214A  . 

Упрощенное уравнение Риккати

Упрощенное уравнение Риккати – это уравнение вида:
(4)   y + Ay 2  = Bxm  , 
где A, B – постоянные. Оно интегрируется при
m = – 4n2n + 1  , 
где n = ± 1,   ± 2,   ± 3...  – целое.

Покажем это. Сделаем подстановку:
y = ux ;  xm + 2  = t ; 
y = dydx = dudxx – ux 2 = 1x ⋅ dudx – ux 2  . 
Подставляем в (4):
1x ⋅ dudx – ux 2 + Au 2x 2 = Bxm  . 
Умножаем на x 2   : 
(5)   x ⋅ dudx – u + Au 2  = Bxm + 2  = Bt . 
Но
x ⋅ dudx = xm + 2duxm + 1dx =  (m + 2 ) xm + 2dudxm + 2 =  (m + 2 ) tdudt = (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 ⋅ tuu 2 – 12 ⋅ 1u + β = γtu 2  ; 
– t(t(1u  ) + (t ) 1u  )  + β = γtu 2  ; 
– t(tu  ) + β = γ(tu  ) 2  . 
Это уравнение с разделяющимися переменными. Оно легко интегрируется.

При α ≠ – 12 уравнение (6) можно преобразовать двумя путями.

  1. Подстановкой u = tb + v  ,  где b = 1 + αγ  ,  оно преобразуется к виду: tv + (α + 1 ) v + γv 2  = βt . 
  2. 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:

Меню