Методы решения физико-математических задач

Дифференциальные уравнения, допускающие понижение порядка

Типы дифференциальных уравнений, допускающие понижение порядка
Перечислены типы дифференциальных уравнений, допускающие понижение порядка, и указаны методы их решений. Рассмотрены примеры понижения порядка и решения таких уравнений.

Уравнения, не содержащие зависимую переменную y в явном виде

 f ( x,  y ′,  y ′′,  y ′′′, ...  y (n )   )  = 0 ,  или  f ( x,  y (m )  ,  y (m + 1 )  ,  y (m + 2 )  , ...  y (n )   )  = 0
Если дифференциальное уравнение не содержит зависимую переменную y в явном виде, то после подстановки u = y ′ ,  порядок уравнения понижается на единицу. Если уравнение не содержит также и несколько ее первых производных, то делаем подстановку u = y (m )   ,  где m – наименьший порядок производной функции y ,  входящей в уравнение. В результате порядок уравнения понижается на m.

Примеры с решениями: y ′′′ = 2y ′′     y ′′′ + y ′′ 2 = 0     (1 + x 2 ) y ′′ + y ′ 2  + 1 = 0

Уравнения, не содержащие независимую переменную x в явном виде

 f ( y,  y ′,  y ′′,  y ′′′,  . . . y (n )   )  = 0
В таких уравнениях порядок понижается на единицу, если за независимую переменную принять y ,  а в качестве зависимой взять y ′ .  То есть выполнить подстановку
u = y ′ , 
где u = u (y )  – функция, зависящая от y .  Тогда
y ′′ = dy ′dx = dudx = dudy ⋅ dydx = u dudy  . 

Примеры с решениями: yy ′′ = y ′ 2     2yy ′′ + y ′ 2 + y ′ 4 = 0

Уравнения, однородные относительно функции и ее производных

Это дифференциальное уравнение, однородное относительно зависимой переменной y и всех ее производных. Чтобы распознать такое уравнение, нужно сделать замены
y → ty,  y ′ → ty ′,  y ′′ → ty ′′,...,   y (n )   → ty (n )   . 
Если после преобразований t сократится, то это однородное уравнение.

В таком уравнении можно понизить порядок, если сделать подстановку
y ′ = u y , 
где u – функция от x . 

Примеры с решениями: yy ′′ = y ′ 2     x 2 yy ′′ + (y – xy ′ )  2  = 0

Обобщенно однородные уравнения относительно переменных

Обобщенно однородные дифференциальные уравнения высших порядков не меняют вида, если сделать замену переменных: x → tx,  y → t s y ,  где t – постоянная; s – число, измерение однородности для переменной y. При такой замене производная порядка m умножается на t s – m   : 
y (m )   = d m y(dx )  m  → d m t s y(d (tx ) )  m  =  t s t m  d m y(dx )  m  = t s – m y (m )   . 
При s = 1 подобные уравнения можно назвать однородными дифференциальными уравнениями относительно переменных.

Чтобы распознать такое уравнение, нужно сделать замены
x → tx,  y → t s y,  y ′ → t s – 1 y ′,   y ′′ → t s – 2 y ′′,...,  y (n )   → t s – n y (n )   . 
Если удастся подобрать такое число s, в результате чего t сократится, то это обобщенно однородное уравнение 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 u = u (t )  с помощью подстановок:
x = e t ,  y = ue st  при x > 0 ; 
x = – e t ,  y = ue st  при x < 0 ; 
где t – новая независимая переменная.
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 ⇑.

Примеры с решениями: x 3 y ′′ – xyy ′ + y 2  = 0,   y (1 )  = 3,  y ′(1 )  = 5     (xy + x 2 √ x  ) y ′′ + yy ′ – x (y ′ )  2  +  34 y √ x  = 0

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 получаем первый интеграл:
Φ(x,  y,  y ′,  y ′′,...,  y (n – 1 )  )  = C1  . 
Он представляет собой дифференциальное уравнение, порядок которого на единицу меньше порядка исходного уравнения.

Примеры с решениями: y ′′ + xy ′ + y = 0,  y (0 )  = 1,   y ′(0 )  = 0     xy ′′ + x (y ′ )  2  + y ′ = 0     3y ′′y IV  – 7y ′′′ 2 = 0     2yy ′′ ln y = (y ′ )  2 (1 + 2 ln y ) 

Примеры решений задач на понижение порядка дифференциальных уравнений

Все примеры

Ниже собраны примеры решений дифференциальных уравнений высших порядков, решаемых понижением порядка.
y ′′′ = 2y ′′     y ′′′ + y ′′ 2 = 0     (1 + x 2 ) y ′′ + y ′ 2  + 1 = 0     yy ′′ = y ′ 2     2yy ′′ + y ′ 2 + y ′ 4 = 0     yy ′′ = y ′ 2     x 2 yy ′′ + (y – xy ′ )  2  = 0     x 3 y ′′ – xyy ′ + y 2  = 0,   y (1 )  = 3,  y ′(1 )  = 5     (xy + x 2 √ x  ) y ′′ + yy ′ – x (y ′ )  2  +  34 y √ x  = 0     y ′′ + xy ′ + y = 0,   y (0 )  = 1,  y ′(0 )  = 0     xy ′′ + x (y ′ )  2  + y ′ = 0     3y ′′y IV  – 7y ′′′ 2 = 0     2yy ′′ ln y = (y ′ )  2 (1 + 2 ln y ) 

Пример. Уравнение без y и y′

Все примеры

Найти общее решение дифференциального уравнения третьего порядка.
y ′′′ = 2y ′′ . 

Решение

Здесь дифференциальное уравнение третьего порядка не содержит y и первую производную y ′ в явном виде. Поэтому делаем подстановку u = y ′′ .  Тогда y ′′′ = (y ′′ )  ′ = u ′ .  Подставляем в уравнение и решаем его.
u ′ = 2u ; 
dudx = 2u ;    duu = 2dx,  u ≠ 0 ; 
∫ duu = 2 ∫ dx ; 
ln  | u |  = 2x + C1  ; 
 | u |  = e 2x + C1   = e C1   ⋅ e 2x  ; 
e C1   → C1  ; 
 | u |  = C1  ⋅ e 2x ,  C1  > 0 ; 
u = C1  ⋅ e 2x ,   – ∞ < C1  < + ∞ ; 
y ′′ = dy ′dx = C1  ⋅ e 2x  ; 
y ′ = C1 ∫ e 2x dx =  C1 2 ∫ e 2x d (2x )  = C1 2 e 2x  + C2  ; 
y ′ = dydx = C1 2 e 2x  + C2  ; 
y = ∫ ( C1 2 e 2x  + C2  ) dx =  C1 2 ∫ e 2x dx + C2 ∫ dx = 
 C1 4 ∫ e 2x d (2x )  + C2 x + C3  =  C1 4 e 2x  + C2 x + C3  ; 
C1 4 → C1  . 

Ответ

y = C1 e 2x  + C2 x + C3  . 

Пример. Уравнение без x

Все примеры

yy ′′ = y ′ 2 . 

Решение

Это дифференциальное уравнение второго порядка; оно не содержит явно независимую переменную x. Чтобы понизить порядок, примем y за независимую переменную, а y ′ – за зависимую. Делаем подстановку u = y ′ , 
где u = u (y )  .  Тогда
y ′′ = dy ′dx = dy ′dy ⋅ dydx =  y ′ dy ′dy = u dudy  . 
Подставляем в исходное уравнение:
yu dudy = u 2  . 
Мы получили уравнение первого порядка для функции u = u (y )  .  Решаем его.
y dudy = u,  u ≠ 0 ; 
duu = dyy ,  y ≠ 0 ; 
∫ duu = ∫ dyy + C1  ; 
ln  | u |  = ln  | y |  + C1  ; 
 | u |  = e C1   | y |  ; 
u = ± e C1  y ; 
± e C1   → C1 ,  u = C1 y ; 
dydx = C1 y ; 
dyy = C1 dx ; 
∫ dyy = C1 ∫ dx + C2  ; 
ln  | y |  = C1 x + C2  ; 
 | y |  = e C2  + C1 x  = e C2  e C1 x  ; 
y = ± e C2  e C1 x  ; 
± e C2   → C2 ,  y = C2 e C1 x  . 

Ответ

y = C2 e C1 x  . 

Пример. Уравнение, однородное относительно y

Все примеры

yy ′′ = y ′ 2 . 

Решение

Пример. В качестве примера рассмотрим предыдущее уравнение
yy ′′ = y ′ 2 , 
но будем его решать другим способом.

Убедимся, что это однородное уравнение. Для этого делаем замены: y → ty,  y ′ → ty ′,  y ′′ → ty ′′ ; 
tyty ′′ = (ty ′ )  2  ; 
t 2 yy ′′ = t 2 y ′ 2 ; 
yy ′′ = y ′ 2 . 
t сократилось. Значит это дифференциальное уравнение второго порядка, однородное относительно функции y и ее производных.

Делаем подстановку y ′ = uy ,  где u = u (x )  – функция от независимой переменной x . 
y ′′ = (uy )  ′ = u ′y + uy ′ =  u ′y + uuy = u ′y + u 2 y . 
Подставляем в исходное уравнение.
yy ′′ = y ′ 2 ; 
y (u ′y + u 2 y )  = (uy )  2  ; 
y 2 (u ′ + u 2 )  = u 2 y 2  ; 
u ′ + u 2  = u 2 ,  y ≠ 0 ; 
u ′ = 0 . 
dudx = 0 . 
Мы получили дифференциальное уравнение первого порядка для функции u = u (x )  .  Получилось простейшее уравнение. Его решением является постоянная:
u = C1  . 
Находим y . 
y ′ = uy ; 
dydx = C1 y ; 
dyy = C1 dx ; 
∫ dyy = C1 ∫ dx + C2  ; 
ln  | y |  = C1 x + C2  ; 
 | y |  = e C1 x + C2   = e C2   ⋅ e C1 x  ; 
y = ± e C2   ⋅ e C1 x  ; 
± e C2   → C2  ; 
y = C2 e C1 x  . 

Ответ

y = C2 e C1 x  . 

Пример. Уравнение, однородное относительно x и y

Все примеры

Решить дифференциальное уравнение, удовлетворяющее заданным условиям Коши.
x 3 y ′′ – xyy ′ + y 2  = 0,   y (1 )  = 3,  y ′(1 )  = 5 . 

Решение

Исследуем, является ли это уравнение обобщенно однородным относительно переменных. Делаем замены:
x → tx,  y → t s y,  y ′ → t s – 1 y ′,   y ′′ → t s – 2 y ′′  : 
(tx )  3 t s – 2 y ′′ – txt s yt s – 1 y ′ +  (t s y )  2  = 0 ; 
t s + 1 x 3 y ′′ – t 2s xyy ′ + t 2s y 2  = 0 . 
Чтобы t сократилось, должны выполняться условия:
t s + 1  = t 2s  = t 2s  ; 
s + 1 = 2s . 
Отсюда s = 1 .  То есть это уравнение является обобщенно однородным относительно переменных с измерением однородности s = 1 . 

Делаем подстановки:
x = e t ,  y = ue t  ,  где t – независимая переменная; u = u (t )  – зависимая переменная, функция от t.
dx = (e t )  ′dt = e t dt ; 
dy = (ue t )  ′dt = ( u ′e t  + u (e t )  ′  ) dt =  ( u ′e t  + ue t  ) dt = (u ′ + u ) e t dt ; 
y ′ ≡ dydx = (u ′ + u ) e t dte t dt = u ′ + u ; 
y ′′ ≡ dy ′dx = d (u ′ + u ) e t dt =  (u ′ + u )  ′dte t dt = (u ′′ + u ′ ) e – t  . 
Напомним, что знак штрих «′» означает производную по аргументу функции: для функции y = y (x )  это производная по переменной x; для u = u (t )  это производная по переменной t.

Подставляем в исходное уравнение.
x 3 y ′′ – xyy ′ + y 2  = 0 ; 
e 3t (u ′′ + u ′ ) e – t  – e t ue t (u ′ + u )  +  u 2 e 2t  = 0 ; 
u ′′ + u ′ – u (u ′ + u )  + u 2  = 0 ; 
u ′′ + u ′ – uu ′ = 0 ; 
(П4.1)   u ′′ = u ′(u – 1 )  . 
Это уравнение не содержит явно независимую переменную t. Понижаем порядок. Для этого в качестве независимой переменной возьмем u. Вводим новую переменную v = u ′ ≡ dudt  ,  которая обозначает функцию от u: v = v (u )  .  Тогда
u ′′ ≡ du ′dt = dvdt = dvdu ⋅ dudt = v dvdu  . 
Подставляем в (П4.1) и решаем уравнение.
v dvdu = v (u – 1 )  ; 
dvdu = u – 1,  v ≠ 0 ; 
dv = (u – 1 ) du ; 
v = ∫ (u – 1 ) du = 12 u 2  – u + C1  ; 
dudt = 12 u 2  – u + C1  =  12 (u – 1 )  2  – 12 + C1 ,   – 12 + C1  → C1  / 2 ; 
(П4.2)   2 dudt = (u – 1 )  2  + C1  . 

Определим постоянную C1  из начальных условий y | x = 1  = 3,  y ′ | x = 1  = 5 .  При x = 1,  t = ln x = ln 1 = 0 ; 
y | x = 1  = (u (t ) e t )  | t = 0  =  u (0 ) e 0  = u (0 )  = 3 ; 
y ′ | x = 1  = (u ′(t )  + u (t ) )  | t = 0  =  u ′(0 )  + u (0 )  = u ′(0 )  + 3 = 5,   u ′(0 )  = 2 . 
Подставляем в (П4.2) u = 3,  u ′ = 2  : 
2 ⋅ 2 = (3 – 1 )  2  + C1  ; 
C1  = 0 . 

Решаем (П4.2) с найденным значением постоянной C1  = 0 . 
2 dudt = (u – 1 )  2  ; 
2 du(u – 1 )  2  = dt,  u ≠ 1 ; 
2 ∫ d (u – 1 ) (u – 1 )  2  = t + C2  ; 
(П4.3)   – 2 1u – 1 = t + C2  ; 

Определяем постоянную C2  из начальных условий, подставляя u = 3,  t = 0  : 
– 2 13 – 1 = 0 + C2  ; 
C2  = – 1 . 

Подставляя в (П4.3), получаем решение исходного уравнения.
– 2 1u – 1 = t – 1 ; 
u – 1 = – 2 1t – 1  ; 
u = t – 1t – 1 – 2t – 1 = t – 3t – 1  ; 
y = ue t  = t – 3t – 1 e t ,  x = e t  . 
Исключаем переменную t ,  подставляя t = ln x . 

Ответ

y = x ⋅ ln x – 3ln x – 1  . 

Пример. Уравнение с полной производной

Все примеры

Решить дифференциальное уравнение, удовлетворяющее заданным условиям.
y ′′ + xy ′ + y = 0,  y (0 )  = 1,   y ′(0 )  = 0 . 

Решение

Замечаем, что xy ′ + y = (xy )  ′ .  Тогда
y ′′ + xy ′ + y = ddx (y ′ + xy )  = 0 . 
Отсюда получаем интеграл, в котором порядок уравнения понизился на единицу:
(П5.1)   y ′ + xy = C1  . 
Определим значение постоянной C1  из начальных условий, подставляя x = 0,  y = 1,  y ′ = 0  : 
0 + 0 ⋅ 1 = C1  . 
Отсюда C1  = 0 .  Подставляем в (П5.1) и разделяем переменные.
dydx + xy = 0 ; 
dyy + xdx = 0,  y ≠ 0 ; 
∫ dyy + ∫ xdx = C2  ; 
ln  | y |  + x 2  / 2 = C2  ; 
 | y |  ⋅ e x 2  / 2  = e C2   ; 
y = ± e C2  e – x 2  / 2 ,   ± e C2   → C2  ; 
y = C2 e – x 2  / 2  . 
Подставляя из начальных условий x = 0,  y = 1 ,  находим постоянную C2   : 
1 = C2 e – 0 2  / 2  = C2 e 0  = C2  ; 
C2  = 1 . 

Ответ

y = e – x 2  / 2  . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню