Методы решения физико-математических задач

Дифференциальные уравнения в полных дифференциалах

Дифференциальные уравнения в полных дифференциалах
Показано как распознать дифференциальное уравнение в полных дифференциалах. Даны методы его решения. Приводится пример решения уравнения в полных дифференциалах двумя способами.

Введение

Дифференциальное уравнение первого порядка в полных дифференциалах
– это уравнение вида:
(1)   p (x, y )  dx + q (x, y )  dy = 0 , 
где левая часть уравнения является полным дифференциалом некоторой функции U(x, y) от переменных x, y :
p (x, y )  dx + q (x, y )  dy = dU (x, y )  . 
При этом   ∂p∂y = ∂q∂x  . 

Если найдена такая функция U(x, y) , то уравнение принимает вид:
dU(x, y) = 0 .
Его общий интеграл:
U(x, y) = C ,
где C – постоянная.

Если дифференциальное уравнение первого порядка записано через производную:
q (x, y )  y ′ + p (x, y )  = 0 , 
то его легко привести к форме (1). Для этого умножим уравнение на dx . Тогда   y ′ dx = dydx dx = dy .  В результате получаем уравнение, выраженное через дифференциалы:
(1)   p (x, y )  dx + q (x, y )  dy = 0 . 

Свойство дифференциального уравнения в полных дифференциалах

Теорема
Для того, чтобы уравнение
p (x, y )  dx + q (x, y )  dy = 0
было уравнением в полных дифференциалах,
необходимо и достаточно, чтобы выполнялось соотношение:
(2)   ∂p (x, y ) ∂y = ∂q (x, y ) ∂x  . 

Доказательство

Далее мы полагаем, что все функции, используемые в доказательстве, определены и имеют соответствующие производные в некоторой области значений переменных x и y . Точка x0, y0 также принадлежит этой области.

Докажем необходимость условия (2).
Пусть левая часть уравнения (1) является дифференциалом некоторой функции U(x, y) :
dU (x, y )  = p (x, y )  dx + q (x, y )  dy . 
Тогда
dU = ∂U∂x dx + ∂U∂y dy ; 
∂U∂x = p (x, y ) ,  ∂U∂y = q (x, y )  . 
Поскольку вторая производная не зависит от порядка дифференцирования, то
∂ 2 U∂x∂y = ∂∂y ∂U∂x = ∂p∂y  ; 
∂ 2 U∂x∂y = ∂∂x ∂U∂y = ∂q∂x  . 
Отсюда следует, что   ∂p∂y = ∂q∂x  .  Необходимость условия (2) доказана.

Докажем достаточность условия (2).
Пусть выполняется условие (2):
(2)   ∂p (x, y ) ∂y = ∂q (x, y ) ∂x  . 
Покажем, что можно найти такую функцию U(x, y) , что ее дифференциал:
dU = ∂U (x, y ) ∂x dx + ∂U (x, y ) ∂y dy =  p (x, y )  dx + q (x, y )  dy . 
Это означает, что существует такая функция U(x, y) , которая удовлетворяет уравнениям:
(3)   ∂U (x, y ) ∂x = p (x, y )  ; 
(4)   ∂U (x, y ) ∂y = q (x, y )  . 
Найдем такую функцию. Проинтегрируем уравнение (3) по x от x0 до x , считая что y – это постоянная:
x∫x0  ∂U (x1 , y ) ∂x1  dx1  = x∫x0  p (x1 , y )  dx1  ; 
U (x, y )  – U (x0 , y )  = x∫x0  p (x1 , y )  dx1  ; 
(5)   U (x, y )  = x∫x0  p (x1 , y )  dx1  + U (x0 , y )  . 
Дифференцируем по y считая, что x – это постоянная и применим (2):
∂U (x, y ) ∂y =  x∫x0  ∂p (x1 , y ) ∂y dx1  + ∂U (x0 , y ) ∂y =  x∫x0  ∂q (x1 , y ) ∂x1  dx1  + ∂U (x0 , y ) ∂y = 
 q (x, y )  – q (x0 , y )  + ∂U (x0 , y ) ∂y  . 
Уравнение (4) будет выполнено, если
∂U (x0 , y ) ∂y = q (x0 , y )  . 
Интегрируем по y от y0 до y :
y∫y0  ∂U (x0 , y1 ) ∂y1  dy1  = y∫y0  q (x0 , y1 )  dy1  ; 
U (x0 , y )  – U (x0 , y0 )  =  y∫y0  q (x0 , y1 )  dy1  ; 
U (x0 , y )  =  y∫y0  q (x0 , y1 )  dy1  + U (x0 , y0 )  . 
Подставляем в (5):
(6)   U (x, y )  = x∫x0  p (x1 , y )  dx1  +  y∫y0  q (x0 , y1 )  dy1  + U (x0 , y0 )  . 
Итак, мы нашли функцию, дифференциал которой
dU (x, y )  = p (x, y )  dx + q (x, y )  dy . 
Достаточность доказана.

В формуле (6), U(x0, y0) является постоянной – значением функции U(x, y) в точке x0, y0 . Ей можно присвоить любое значение.

Как распознать дифференциальное уравнение в полных дифференциалах

Рассмотрим дифференциальное уравнение:
(1)   p (x, y )  dx + q (x, y )  dy = 0 . 
Чтобы определить, является ли это уравнение в полных дифференциалах, нужно проверить выполнение условия (2):
(2)   ∂p (x, y ) ∂y = ∂q (x, y ) ∂x  . 
Если оно выполняется, то это уравнение в полных дифференциалах. Если нет – то это не уравнение в полных дифференциалах.

Пример

Проверить, является ли уравнение в полных дифференциалах:
( 1x – y 2 (x – y )  2   )  dx +  ( x 2 (x – y )  2  – 1y  )  dy = 0 . 

Решение

Здесь
p = x – 1  – y 2 (x – y )  – 2  ,    q = x 2 (x – y )  – 2  – y – 1  . 
Дифференцируем по y , считая x постоянной:
∂p∂y =  – ( y 2 (x – y )  – 2  )  ′y =  – ( y 2  )  ′y(x – y )  – 2  –  y 2 ( (x – y )  – 2  )  ′y = 
 – 2y 2 – 1 (x – y )  – 2  –  y 2 ( – 2(x – y )  – 2 – 1 ( x – y  )  ′y  )  =  – 2y (x – y )  – 2  – y 2 2(x – y )  – 3  = 
 – 2y x – y + y(x – y )  3  = – 2xy(x – y )  3   . 
Дифференцируем по x , считая y постоянной:
∂q∂x = ( x 2 (x – y )  – 2  )  ′x =  ( x 2  )  ′x(x – y )  – 2  + x 2 ( (x – y )  – 2  )  ′x = 
 2x 2 – 1 (x – y )  – 2  +  x 2 ( – 2(x – y )  – 2 – 1 ( x – y  )  ′x  )  =  2x (x – y )  – 2  – x 2 2(x – y )  – 3  = 
 2x x – y – x(x – y )  3  = – 2xy(x – y )  3   . 
Поскольку:
∂p∂y = ∂q∂x  , 
то заданное уравнение – в полных дифференциалах.

Методы решения дифференциальных уравнений в полных дифференциалах

Метод последовательного выделения дифференциала

Наиболее простым методом решения уравнения в полных дифференциалах является метод последовательного выделения дифференциала. Для этого мы применяем формулы дифференцирования, записанные в дифференциальной форме:
du ± dv = d(u ± v) ;
v du + u dv = d(uv) ;
v du – u dvv 2  = d ( uv  )  ; 
 f (u )  du = d ( ∫  f (u )  du  )  . 
В этих формулах u и v – произвольные выражения, составленные из любых комбинаций переменных.

Пример 1

Решить уравнение:
( 1x – y 2 (x – y )  2   )  dx +  ( x 2 (x – y )  2  – 1y  )  dy = 0 . 

Решение

Ранее мы нашли, что это уравнение – в полных дифференциалах. Преобразуем его:
(П1)   dxx – dyy + x 2  dy – y 2  dx(x – y )  2  = 0 . 
Решаем уравнение, последовательно выделяя дифференциал.
dxx = d ( ∫ dxx  )  = d ( ln  | x |  )  ; 
dyy = d ( ∫ dyy  )  = d ( ln  | y |  )  ; 
x 2  dy = x ⋅ x dy = x (d (xy )  – y dx )  ; 
y 2  dx = y ⋅ y dx = y (d (xy )  – x dy )  ; 
x 2  dy – y 2  dx(x – y )  2  =  x (d (xy )  – y dx )  – y (d (xy )  – x dy ) (x – y )  2  =  (x – y )  d (xy )  – xy d (x – y ) (x – y )  2  = 
 d ( xy(x – y )  2   )  . 
Подставляем в (П1):
d ( ln  | x |  )  – d ( ln  | y |  )  +  d ( xy(x – y )  2   )  = 0 ; 
d ( ln  | x |  – ln  | y |  + xy(x – y )  2   )  = 0 . 

Ответ

ln  | x |  – ln  | y |  + xy(x – y )  2  = C . 

Метод последовательного интегрирования

В этом методе мы ищем функцию U(x, y) , удовлетворяющую уравнениям:
(3)   ∂U (x, y ) ∂x = p (x, y )  ; 
(4)   ∂U (x, y ) ∂y = q (x, y )  . 

Проинтегрируем уравнение (3) по x , считая y постоянной:
U (x, y )  = ∫ p (x, y )  dx + φ (y )  . 
Здесь φ(y) – произвольная функция от y , которую нужно определить. Она является постоянной интегрирования. Подставляем в уравнение (4):
q (x, y )  = ∂U (x, y ) ∂y =  ∂∂y ∫ p (x, y )  dx + dφ (y ) dy  . 
Отсюда:
dφ (y ) dy = q (x, y )  – ∂∂y ∫ p (x, y )  dx . 
Интегрируя, находим φ(y) и, тем самым, U(x, y) .

Пример 2

Решить уравнение в полных дифференциалах:
( 1x – y 2 (x – y )  2   )  dx +  ( x 2 (x – y )  2  – 1y  )  dy = 0 . 

Решение

Ранее мы нашли, что это уравнение – в полных дифференциалах. Введем обозначения:
p (x, y )  = 1x – y 2 (x – y )  2   ,    q (x, y )  = x 2 (x – y )  2  – 1y  . 
Ищем Функцию U(x, y) , дифференциал которой является левой частью уравнения:
dU = ∂U (x, y ) ∂x dx + ∂U (x, y ) ∂y dy =  p (x, y )  dx + q (x, y )  dy . 
Тогда:
(3)   ∂U (x, y ) ∂x = p (x, y )  ; 
(4)   ∂U (x, y ) ∂y = q (x, y )  . 
Проинтегрируем уравнение (3) по x , считая y постоянной:
(П2)   U (x, y )  = ∫ p (x, y )  dx + φ (y )  =  ∫ dxx – ∫ y 2  dx(x – y )  2  + φ (y )  = 
 ln  | x |  – y 2 ∫ d (x – y ) (x – y )  2  + φ (y )  =  ln  | x |  + y 2 x – y + φ (y )  . 
Дифференцируем по y :
∂U (x, y ) ∂y =  ( y 2  )  ′y(x – y )  – y 2 ( x – y  )  ′y(x – y )  2  + φ ′(y )  =  2y (x – y )  + y 2 (x – y )  2  + φ ′(y )  = 
 2xy – y 2 (x – y )  2  + φ ′(y )  . 
Подставим в (4):
2xy – y 2 (x – y )  2  + φ ′(y )  = x 2 (x – y )  2  – 1y  ; 
φ ′(y )  = x 2  – 2xy + y 2 (x – y )  2  – 1y =  (x – y )  2 (x – y )  2  – 1y = 1 – 1y  . 
Интегрируем:
φ (y )  = ∫ ( 1 – 1y  )  dy =  y – ln  | y |  + C . 
Подставим в (П2):
U (x, y )  =  ln  | x |  + y 2 x – y + y – ln  | y |  + C =  ln  | x |  – ln  | y |  + y 2  + y (x – y ) x – y + C = 
 ln  | x |  – ln  | y |  + xyx – y + C . 
Общий интеграл уравнения:
U(x, y) = const .
Объединяем две постоянные в одну.

Ответ

ln  | x |  – ln  | y |  + xyx – y = C . 

Метод интегрирования вдоль кривой

Функцию U , определяемую соотношением:
dU = p(x, y) dx + q(x, y) dy ,
можно найти, если проинтегрировать это уравнение вдоль кривой, соединяющей точки (x0, y0) и (x, y) :
(7)   x,y∫x0 , y0  dU =  x,y∫x0 , y0  p (x1 ,  y1 )  dx1  + q (x1 , y1 )  dy1  . 
Поскольку
(8)   x,y∫x0 , y0  dU = U (x, y )  – U (x0 , y0 )  , 
то интеграл зависит только от координат начальной (x0, y0) и конечной (x, y) точек и не зависит от формы кривой. Из (7) и (8) находим:
(9)   U (x, y )  =  x,y∫x0 , y0  p (x1 ,  y1 )  dx1  + q (x1 , y1 )  dy1  +  U (x0 , y0 )  . 
Здесь x0 и y0 – постоянные. Поэтому U(x0, y0) – также постоянная.

Пример такого определения U был получен при доказательстве свойства уравнения в полных дифференциалах:
(6)   U (x, y )  = x∫x0  p (x1 , y )  dx1  +  y∫y0  q (x0 , y1 )  dy1  + U (x0 , y0 )  . 
Здесь интегрирование производится сначала по отрезку, параллельному оси y , от точки (x0 , y0) до точки (x0 , y) y∫y0  q (x0 , y1 )  dy1  .  Затем интегрирование производится по отрезку, параллельному оси x , от точки (x0 , y) до точки (x, y) x∫x0  p (x1 , y )  dx1  . 

В более общем случае, нужно представить уравнение кривой, соединяющей точки (x0 , y0) и (x, y) в параметрическом виде:
x1 = s(t1) ;   y1 = r(t1) ;
x0 = s(t0) ;   y0 = r(t0) ;
x = s(t) ;   y = r(t) ;
и интегрировать по t1 от t0 до t .

Наиболее просто выполняется интегрирование по отрезку, соединяющим точки (x0 , y0) и (x, y) . В этом случае:
x1 = x0 + (x – x0) t1 ; y1 = y0 + (y – y0) t1 ;
t0 = 0 ;   t = 1 ;
dx1 = (x – x0) dt1 ; dy1 = (y – y0) dt1 .
После подстановки, получается интеграл по t от 0 до 1 .
Данный способ, однако, приводит к довольно громоздким вычислениям.

Использованная литература:
В.В. Степанов, Курс дифференциальных уравнений, «ЛКИ», 2015.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню