Методы решения физико-математических задач

Дифференциальное уравнение Якоби

Дифференциальное уравнение Якоби
Дано определение дифференциального уравнения Якоби и рассмотрен метод его решения.

Определение

Дифференциальное уравнение Якоби
– это уравнение вида
(a1x + b1y + c1 ) dx +  (a2x + b2y + c2 ) dy +  (a3x + b3y + c3 ) (xdy – ydx )  = 0 , 
где a1 ,  b1 ,  c1 ,  a2 ,  b2 ,  c2 ,  a3 ,  b3 ,  c3 – постоянные коэффициенты.

Метод решения

Рассмотрим уравнение Якоби:
(1)   (a1x + b1y + c1 ) dx + (a2x + b2y + c2 ) dy + (a3x + b3y + c3 ) (xdy – ydx )  = 0 . 
Делаем подстановку:
x = ξζ ;  y = ηζ  . 
Тогда:
dx = ζdξ – ξdζζ 2 ;  dy = ζdη – ηdζζ 2  ; 
xdy – ydx = ξζ ⋅ ζdη – ηdζζ 2 – ηζ ⋅ ζdξ – ξdζζ 2 = ξζdη – ξηdζζ 3 – ηζdξ – ηξdζζ 3 = 
= ξdη – ηdξζ 2  . 
Подставляем в (1):
(a1ξζ + b1ηζ + c1  )ζdξ – ξdζζ 2 + (a2ξζ + b2ηζ + c2  )ζdη – ηdζζ 2 + (a3ξζ + b3ηζ + c3  )ξdη – ηdξζ 2 = 0 . 
Умножаем на ζ 3 и вводим обозначения:
s1  = a1ξ + b1η + c1ζ;  s2  = a2ξ + b2η + c2ζ;  s3  = a3ξ + b3η + c3ζ . 
Получаем:
s1 (ζdξ – ξdζ )  + s2 (ζdη – ηdζ )  + s3 (ξdη – ηdξ )  = 0

Это уравнение можно записать в виде равенства нулю определителя:
|
ξηζ
– s2s1s3
|  = 0

Определитель равен нулю, если строки линейно зависимы. Тогда нужно положить:
(2)  
{
dt = – s2  = – a2ξ – b2η – c2ζ
dt = s1  = a1ξ + b1η + c1ζ
dt = s3  = a3ξ + b3η + c3ζ

где t – новая вспомогательная переменная. Тем самым мы получили систему линейных уравнений, которая решается простыми методами. Решение этих уравнений дает три равенства с  ξ, η, ζ, t . Присоединив к ним формулы x = ξ / ζ,  y = η / ζ ,  мы получаем пять уравнений. Исключая из них ξ, η, ζ и t , найдем общий интеграл исходного уравнения (1).

В наиболее распространенном случае решение уравнений (2) дается равенствами:
α1ξ + β1η + γ1ζ = C1eλ1t
α2ξ + β2η + γ2ζ = C2eλ2t
α3ξ + β3η + γ3ζ = C3eλ3t
Возводим их в степень (λ2  – λ3 )  ,   (λ3  – λ1 )  ,   (λ1  – λ2 )  ,  соответственно:
(α1ξ + β1η + γ1ζ ) λ2  – λ3  = C1λ2  – λ3  ⋅ (eλ1t ) λ2  – λ3  = C1λ2  – λ3  ⋅ eλ1 (λ2  – λ3 ) t
(α2ξ + β2η + γ2ζ ) λ3  – λ1  = C2λ3  – λ1  ⋅ (eλ2t ) λ3  – λ1  = C2λ3  – λ1  ⋅ eλ2 (λ3  – λ1 ) t
(α3ξ + β3η + γ3ζ ) λ1  – λ2  = C3λ1  – λ2  ⋅ (eλ3t ) λ1  – λ2  = C3λ1  – λ2  ⋅ eλ3 (λ1  – λ2 ) t
Перемножая эти равенства, и замечая, что
eλ1 (λ2  – λ3 ) t  ⋅ eλ2 (λ3  – λ1 ) t  ⋅ eλ3 (λ1  – λ2 ) t  = e (λ1λ2  – λ1λ3  + λ2λ3  – λ2λ1  + λ3λ1  – λ3λ2 ) t= e 0  = 1
и вводя новую постоянную
C = C1λ2  – λ3  ⋅ C2λ3  – λ1  ⋅ C3λ1  – λ2
получаем:
(α1ξ + β1η + γ1ζ ) λ2  – λ3  ⋅ (α2ξ + β2η + γ2ζ ) λ3  – λ1  ⋅ (α3ξ + β3η + γ3ζ ) λ1  – λ2  = C
В каждом множителе выносим ζ за скобки. Поскольку
ζλ2  – λ3  ⋅ ζλ3  – λ1  ⋅ ζλ1  – λ2  = 1 , 
то, переходя к переменным x и y, получаем общий интеграл уравнения Якоби в виде:
(α1x + β1y + γ1 ) λ2  – λ3  ⋅ (α2x + β2y + γ2 ) λ3  – λ1  ⋅ (α3x + β3y + γ3 ) λ1  – λ2  = C . 

Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню