Дифференциальное уравнение Якоби
Определение
- Дифференциальное уравнение Якоби
- – это уравнение вида
(a1 x + b1 y + c1 ) dx + (a2 x + b2 y + c2 ) dy + (a3 x + b3 y + c3 ) (xdy – ydx )  = 0 ,
где a1 , b1 , c1 , a2 , b2 , c2 , a3 , b3 , c3  – постоянные коэффициенты.
Метод решения
Рассмотрим уравнение Якоби:
(1) (a1 x + b1 y + c1 ) dx + (a2 x + b2 y + c2 ) dy + (a3 x + b3 y + 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):
( a1 ξζ + b1 ηζ + c1  ) ζdξ – ξdζζ 2  + ( a2 ξζ + b2 ηζ + c2  ) ζdη – ηdζζ 2  + ( a3 ξζ + b3 ηζ + c3  ) ξdη – ηdξζ 2  = 0 .
Умножаем на ζ 3  и вводим обозначения:
s1  = a1 ξ + b1 η + c1 ζ; s2  = a2 ξ + b2 η + c2 ζ; s3  = a3 ξ + b3 η + c3 ζ .
Получаем:
s1 (ζdξ – ξdζ )  + s2 (ζdη – ηdζ )  + s3 (ξdη – ηdξ )  = 0
| dη | dζ | |
| ξ | η | ζ |
| – s2  | s1  | s3  |
Определитель равен нулю, если строки линейно зависимы. Тогда нужно положить:
(2)
| dξdt = – s2  = – a2 ξ – b2 η – c2 ζ |
| dηdt = s1  = a1 ξ + b1 η + c1 ζ |
| dζdt = s3  = a3 ξ + b3 η + c3 ζ |
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:
α1 ξ + β1 η + γ1 ζ = C1 e λ1 t 
α2 ξ + β2 η + γ2 ζ = C2 e λ2 t 
α3 ξ + β3 η + γ3 ζ = C3 e λ3 t 
Возводим их в степень (λ2  – λ3 )  , (λ3  – λ1 )  , (λ1  – λ2 )  , соответственно:
(α1 ξ + β1 η + γ1 ζ )  λ2  – λ3   = C1  λ2  – λ3   ⋅ (e λ1 t )  λ2  – λ3   = C1  λ2  – λ3   ⋅ e λ1 (λ2  – λ3 ) t 
(α2 ξ + β2 η + γ2 ζ )  λ3  – λ1   = C2  λ3  – λ1   ⋅ (e λ2 t )  λ3  – λ1   = C2  λ3  – λ1   ⋅ e λ2 (λ3  – λ1 ) t 
(α3 ξ + β3 η + γ3 ζ )  λ1  – λ2   = C3  λ1  – λ2   ⋅ (e λ3 t )  λ1  – λ2   = C3  λ1  – λ2   ⋅ e λ3 (λ1  – λ2 ) t 
Перемножая эти равенства, и замечая, что
e λ1 (λ2  – λ3 ) t  ⋅ e λ2 (λ3  – λ1 ) t  ⋅ e λ3 (λ1  – λ2 ) t  = e (λ1 λ2  – λ1 λ3  + λ2 λ3  – λ2 λ1  + λ3 λ1  – λ3 λ2 ) t = e 0  = 1
и вводя новую постоянную
C = C1  λ2  – λ3   ⋅ C2  λ3  – λ1   ⋅ C3  λ1  – λ2  
получаем:
(α1 ξ + β1 η + γ1 ζ )  λ2  – λ3   ⋅ (α2 ξ + β2 η + γ2 ζ )  λ3  – λ1   ⋅ (α3 ξ + β3 η + γ3 ζ )  λ1  – λ2   = C
В каждом множителе выносим ζ за скобки. Поскольку
ζ λ2  – λ3   ⋅ ζ λ3  – λ1   ⋅ ζ λ1  – λ2   = 1 ,
то, переходя к переменным x и y, получаем общий интеграл уравнения Якоби в виде:
(α1 x + β1 y + γ1 )  λ2  – λ3   ⋅ (α2 x + β2 y + γ2 )  λ3  – λ1   ⋅ (α3 x + β3 y + γ3 )  λ1  – λ2   = C .
Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: