Методы решения физико-математических задач

Дифференциальные уравнения высших порядков

Дифференциальные уравнения высших порядков
Перечислены основные типы обыкновенных дифференциальных уравнений (ДУ) высших порядков, допускающие решение. Кратко изложены методы их решения. Указаны ссылки на страницы, с подробным описанием методов решения и примерами.
Содержание
См. также:

Дифференциальные уравнения высших порядков, решаемые в квадратурах

Подробнее, см. Дифференциальные уравнения высших порядков, решаемые в квадратурах

Уравнения, содержащие переменную и старшую производную

Разрешенные относительно старшей производной

Рассмотрим дифференциальное уравнение следующего вида:
y (n )   =  f (x )  . 
Интегрируем n раз.
y (n – 1 )   =   f (x )  dx + C1  ; 
y (n – 2 )   = y (n – 1 )   dx + C2  ; 
и так далее. Так же можно использовать формулу:
y = 1(n – 1 ) !xa (x – t ) n – 1  f (t )  dt + C1  + C2x + C3x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Cnxn – 1  . 
См. Дифференциальные уравнения, решающиеся непосредственным интегрированием

Разрешенные относительно переменной

Рассмотрим дифференциальное уравнение, в котором независимая переменная x является функцией от старшей производной:
x =  f (y (n )  )  . 
Это уравнение можно решить параметрическим методом. Для этого вводим параметр t = y (n )   .  В результате получаем:
x =  f (t ) ,  dx =  f(t )  dt ; 
y (n )   = dy (n – 1 ) dx = t . 
Из последнего уравнения dy (n – 1 )   = tdx = tf(t )  dt .  Интегрируя, получаем зависимость производной y (n – 1 )  от x в параметрическом виде:
x =  f (t ) ;  y (n – 1 )   = tf(t )  dt + C1  . 
Продолжая интегрирование аналогичным образом, получим зависимость y от x в параметрическом виде.

Общий случай

Рассмотрим дифференциальное уравнение, содержащее только независимую переменную и старшую производную общего вида:
f (x,  y (n )  )  = 0 . 
Его можно решить в квадратурах в параметрическом виде, если удастся подобрать такие функции φ (t )  и ψ (t )  ,  для которых f (φ (t ) ,  ψ (t ) )  = 0 . 

Если такие функции найдены, то положим x = φ (t ) ,  y (n )   = ψ (t )  .  Тогда исходное уравнение выполняется автоматически. Дифференцируя первую функцию, находим связь между дифференциалами переменных x и t : dx = φ(t )  dt .  Тогда
y (n )   = dy (n – 1 ) dx = ψ (t ) ;  dy (n – 1 )   = ψ (t )  dx = ψ (t ) φ(t )  dt . 
Интегрируя последнее соотношение, получаем решение для производной более низкого порядка y (n – 1 )  в параметрическом виде. Продолжая действовать подобным способом, получим общее решение в квадратурах.

Уравнения, содержащие только производные порядков n и n-1

Рассмотрим дифференциальное уравнение, содержащее только производные n-го и n-1-го порядков:
F (y (n – 1 )  , y (n )  )  = 0 . 
Его можно решить в квадратурах, если удастся найти такие функции φ (t )  и ψ (t )  ,  которые удовлетворяют уравнению
F (ψ (t ) , φ (t ) )  = 0 . 
Тогда положим
y (n )   = φ (t ) ,  y (n – 1 )   = ψ (t )  . 
Считаем, что такое параметрическое представление эквивалентно исходному уравнению F (y (n – 1 )  , y (n )  )  = 0 . 

Тогда
dx = dy (n – 1 ) y (n )  =  (t ) φ (t )  = ψ(t ) dtφ (t )   ; 
dy (n – 2 )   = y (n – 1 ) dx = ψ (t ) ψ(t )  dtφ (t )   . 
Интегрируя эти уравнения, получим параметрическое представление производной порядка n – 2. Продолжая подобным образом, получаем выражения остальных производных и самой функции y через параметр t .
Подробнее, см. здесь.

Уравнения, содержащие только производные порядков n и n-2

Рассмотрим дифференциальное уравнение, содержащее только производные n-го и n-2-го порядков:
F (y (n – 2 )  , y (n )  )  = 0 . 
Его можно решить в квадратурах, если удастся найти такие функции φ (t )  и ψ (t )  ,  которые удовлетворяют уравнению
F (ψ (t ) , φ (t ) )  = 0 . 
Положим
y (n )   = φ (t ) ,  y (n – 2 )   = ψ (t )  . 
Считаем, что такое параметрическое представление эквивалентно исходному уравнению.

Тогда
y (n – 1 ) dy (n – 1 )   = y (n ) dy (n – 2 )   ; 
d(y (n – 1 )   ) 2  = 2y (n ) dy (n – 2 )   =  2φ (t ) ψ(t )  dt ; 
(y (n – 1 )   ) 2  = 2 φ (t ) ψ(t )  dt + C1  ; 
y (n – 1 )   = ±  2 φ (t ) ψ(t )  dt + C1    ; 
dx = dy (n – 2 ) y (n – 1 )  = ψ(t )  dty (n – 1 )   . 
Интегрируя, получим параметрическое представление производных порядка n, n – 1 и n – 2. Далее интегрируем как в предыдущем случае ⇑. В результате получаем выражения остальных производных и самой функции y через параметр t .
Подробнее, см. здесь.

Дифференциальные уравнения высших порядков, допускающие понижение порядка

Уравнения, не содержащие зависимую переменную y в явном виде

f(x,  y,  y′′,  y′′′, ...  y (n )   )  = 0
Подстановка u = y приводит к понижению порядка уравнения на единицу. Здесь u – функция от x . 
См. Дифференциальные уравнения высших порядков, не содержащие функцию в явном виде

Уравнения, не содержащие независимую переменную x в явном виде

f(y,  y,  y′′,  y′′′, ...  y (n )   )  = 0
Для решения этого уравнения, делаем подстановку
u = y . 
Считаем, что u является функцией от y .  Тогда
y′′ = dudx = dudy ⋅ dydx = dudy ⋅ u . 
Аналогично для остальных производных. В результате порядок уравнения понижается на единицу.
См. Дифференциальные уравнения высших порядков, не содержащие переменную в явном виде

Однородные дифференциальные уравнения высших порядков

Уравнения, однородные относительно функции и ее производных

Дифференциальное уравнение
f (x,  y,  y,  y′′,...,  y (n )  )  = 0
является однородным относительно функции и ее производных, если оно обладает свойством:
f (x,  ty,  ty,  ty′′,...,  ty (n )  )  = tp  f (x,  y,  y,  y′′,...,  y (n )  )  . 
Здесь t – число или любая функция; число p называют показателем однородности.

Чтобы распознать такое уравнение, нужно сделать замену
y → ty,  y → ty,  y′′ → ty′′,...,  y (n )   → ty (n )   . 
Если после преобразований t сократится, то это однородное уравнение.

Для его решения делаем подстановку
y = uy , 
где u – функция от x .  Тогда
y′′ = (uy  ) = uy + uy = uy + uuy = y(u + u 2  )  . 
Аналогично преобразуем производные y′′′,  yIV и т.д. В результате порядок уравнения понижается на единицу.
См. Однородные относительно функции и ее производных дифференциальные уравнения высших порядков

Обобщенно однородные уравнения относительно переменных

Теперь рассмотрим дифференциальные уравнения, которые не меняют вида, если сделать замену переменных: x → cx,  y → csy ,  где c – постоянная; s – измерение однородности для переменной y. При такой замене производная порядка m умножается на cs – m   : 
y (m )   = dmy(dx ) m → dmcsy(d (cx ) ) m = cscmdmy(dx ) m = cs – my (m )   . 
Если записать исходное уравнение в общем виде:
f (x,  y,  y,  y′′,...,  y (n )  )  = 0 , 
то оно является обобщенно однородным относительно переменных, если обладает свойством:
f (tx, tsy, ts – 1y, ts – 2y′′,..., ts – ny (n )  )  = tp  f (x,  y,  y,  y′′,...,  y (n )  )  , 
где t – число или любая функция; p – показатель однородности.

При s = 1 подобные уравнения можно назвать однородными дифференциальными уравнениями относительно переменных.

Порядок такого уравнения можно понизить на единицу, если искать решение в параметрическом виде, и перейти от зависимой переменной (функции) y к новой зависимой переменной (новой функции) u = u (t )  с помощью подстановок:
x = et ,  y = uest  ,  где t – параметр.
В результате для функции u = u (t )  получим дифференциальное уравнение n - го порядка, которое не содержит переменную t в явном виде. Далее понижаем порядок изложенным выше методом ⇑.
См. Обобщенно однородные дифференциальные уравнения относительно переменных высших порядков

Дифференциальные уравнения с полной производной

Это уравнения, которые можно привести к полной производной:
f (x,  y,  y,  y′′,...,  y (n )  )  = ddx Φ(x,  y,  y,  y′′,...,  y (n – 1 )  )  = 0 . 
Отсюда сразу получаем первый интеграл:
Φ(x,  y,  y,  y′′,...,  y (n – 1 )  )  = C1  . 
Он представляет собой дифференциальное уравнение, на единицу меньшего порядка по сравнению с исходным уравнением f (x,  y,  y,  y′′,...,  y (n )  )  = 0 . 

В качестве примера рассмотрим дифференциальное уравнение второго порядка:
xy′′ + x (y )  2  + y = 0 . 
Разделим его на xy .  Тогда
y′′y + y + 1x = ( ln  | y |  + y + ln  | x |  ) = 0 . 
Отсюда получаем первый интеграл, который является дифференциальным уравнением первого порядка:
ln  | y |  + y + ln  | x |  = C1  . 
См. Дифференциальные уравнения высших порядков с полной производной.

Линейные дифференциальные уравнения высших порядков

Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение n-го порядка:
(1)   pny (n )   + pn – 1y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ +  p2y′′ + p1y + p0y = 0 , 
где p0 ,  p1 , ...,  pn – функции от независимой переменной x .  Пусть y1 (x ) ,  y2 (x ) , ...,  yn (x )  есть n линейно независимых решений этого уравнения. Тогда общее решение уравнения (1) имеет вид:
(2)   y = C1y1 (x )  + C2y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ +  Cnyn (x )  , 
где C1 ,  C2 , ...,  Cn – произвольные постоянные. Сами функции y1 (x ) ,  y2 (x ) , ...,  yn (x )  образуют фундаментальную систему решений.
Фундаментальная система решений линейного однородного уравнения n-го порядка – это n линейно независимых решений этого уравнения.

Рассмотрим линейное неоднородное дифференциальное уравнение n-го порядка:
pny (n )   + pn – 1y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ +  p2y′′ + p1y + p0y =  f (x )  . 
Пусть y = Y (x )  есть частное (любое) решение этого уравнения. Тогда общее решение имеет вид:
y = Y (x )  + C1y1 (x )  + C2y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ + Cnyn (x )  , 
где y0 (x )  = C1y1 (x )  + C2y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ + Cnyn (x )  – общее решение однородного уравнения (1).

См. далее: Линейные дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами

Использованная литература:
В.В. Степанов, Курс дифференциальных уравнений, «ЛКИ», 2015.
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню