Обобщенно однородные дифференциальные уравнения относительно переменных высших порядков
Определения однородных уравнений и функций
Ранее мы рассматривали дифференциальные уравнения высших порядков, однородные относительно функции и ее производных. Теперь рассмотрим уравнения, однородные относительно переменных. Эти уравнения не меняют вид, если сделать замену
x → tx, y → ty ,
где t – постоянная. Однако мы немного усложним задачу, и будем рассматривать уравнения, которые не меняют вид при замене
(1) x → tx, y → t s y .
При этом 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 )   .
Такие уравнения называются обобщенными однородными дифференциальными уравнениями высших порядков относительно переменных. Число s называют измерением однородности для переменной y.
Как мы увидим ниже, в таких уравнениях можно понизить порядок с помощью подстановок:
x = ±et, y = zest .
Функция, зависящая от производных и переменных, называется обобщенно однородной относительно переменных, если она обладает следующим свойством:
(2) f ( tx, t s y, t s dytdx , t s d 2 yt 2 dx 2  ,...   , t s d n yt n dx n   )  = t p  f (x, y, y ′, y ′′,..., y (n )  )  ,
где t – произвольное выражение;
Коэффициент p называется показателем однородности функции. Его также называют измерением однородности функции f .
Таким образом, если у нас имеется дифференциальное уравнение
(3) f (x, y, y ′, y ′′,..., y (n )  )  = 0 ,
и при этом функция f обладает свойством (2), то такое уравнение является обобщенно однородным относительно переменных. Действительно, выполнив замену (1) в уравнении (3), и воспользовавшись (2), имеем:
f (tx, t s y, t s – 1 y ′, t s – 2 y ′′,... , t s – n y (n )  )  = 0 ;
t p  f (x, y, y ′, y ′′,..., y (n )  )  = 0 ;
f (x, y, y ′, y ′′,..., y (n )  )  = 0 .
Постоянная t сократилась. Значит это обобщенно однородное уравнение относительно переменных.
Заметим, что обобщенно однородное уравнение в общем виде можно записать так:
(4) F ( yx s  , y ′x s – 1  , y ′′x s – 2  , ⋅ ⋅ ⋅   , y (n )  x s – n   )  = 0 .
Это наиболее общая форма записи уравнения, которое не меняет вид при замене (1).
При определении обобщенно однородных уравнений можно рассмотреть и более общую замену
x → t k x, y → t s y ,
введя измерение однородности k и для переменной x . Однако, если принять во внимание, что t s  = (t k )  s / k  , то такая замена сводится к (1) с измерением однородности s / k , и поэтому не дает ничего нового.
Как распознать обобщенно однородное относительно переменных дифференциальное уравнение высшего порядка
Чтобы определить, является ли дифференциальное уравнение обобщенно однородным относительно переменных, надо в уравнении выполнить следующие 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 обобщенное однородное ДУ с измерением однородности s для переменной y .
Пример
Покажем, что следующее уравнение является обобщенно однородным:
(П1) (xy + x 2 √ x  ) y ′′ + yy ′ – x (y ′ )  2  – 34 y √ x  = 0 .
Для этого делаем замену (1), и попытаемся найти такое s , при котором t сократится:
x → tx, y → t s y ;
y ′ = dydx → d (t s y ) d (tx )  = t s t dydx = t s – 1 y ′ ;
y ′′ = d 2 y(dx )  2  → d 2 (t s y ) (d (tx ) )  2  = t s t 2  d 2 y(dx )  2  = t s – 2 y ′′ ;
xyy ′′ → txt s yt s – 2 y ′′ = t 2s – 1 xyy ′′ ;
x 2 √ x  y ′′ = x 2 + 1 / 2 y ′′ → (tx )  2 + 1 / 2 t s – 2 y ′′ = t s + 1 / 2 x 2 √ x  y ′′ ;
yy ′ → t s yt s – 1 y ′ = t 2s – 1 yy ′ ;
x (y ′ )  2  → tx (t s – 1 y ′ )  2  = t 2s – 1 x (y ′ )  2  ;
34 y √ x  → 34 t s y √ tx  = t s + 1 / 2 34 y √ x  .
Левая часть уравнения (П1):
(xy + x 2 √ x  ) y ′′ + yy ′ – x (y ′ )  2  – 34 y √ x  →
t 2s – 1 xyy ′′ + t s + 1 / 2 x 2 √ x  y ′′ + t 2s – 1 yy ′ – t 2s – 1 x (y ′ )  2  – t s + 1 / 2 34 y √ x  .
Для того, чтобы множители, содержащие t можно было вынести за скобки, они должны быть равны:
t 2s – 1  = t s + 1 / 2  = t 2s – 1  = t 2s – 1  = t s + 1 / 2  .
Отсюда
2s – 1 = s + 1 / 2 ;
s = 1 + 1 / 2 = 3 / 2 .
Таким образом, при s = 3 / 2 все множители, содержащие t равны t 2  . Поэтому их можно сократить, в результате чего уравнение (П1) сохранит свой вид. Это означает, что уравнение (П1) является обобщенно однородным уравнением относительно переменных с измерением однородности для переменной y , s = 3 / 2 . При этом функция
f (x, y, y ′, y ′′ )  = (xy + x 2 √ x  ) y ′′ + yy ′ – x (y ′ )  2  – 34 y √ x 
имеет показатель однородности p = 2 (или измерение однородности p = 2).
В заключение, приведем исходное уравнение к виду (4), выполняя преобразования.
f (x, y, y ′, y ′′ )  = (xy + x 2 √ x  ) y ′′ + yy ′ – x (y ′ )  2  – 34 y √ x  =
( x 5 / 2 yx 3 / 2  + x 5 / 2  ) x – 1 / 2 y ′′x – 1 / 2  + x 2 yx 3 / 2  y ′x 1 / 2  – x ⋅ x ( y ′x 1 / 2   )  2  – 34 x 3 / 2 yx 3 / 2  x 1 / 2  =
x 2 [ ( yx 3 / 2  + 1  ) y ′′x – 1 / 2  +  yx 3 / 2  y ′x 1 / 2  – ( y ′x 1 / 2   )  2  – 34 yx 3 / 2   ]  =
x 2 F ( yx 3 / 2  , y ′x 1 / 2  , y ′′x – 1 / 2   )  = 0 .
Отсюда получаем уравнение
F ( yx 3 / 2  , y ′x 1 / 2  , y ′′x – 1 / 2   )  = 0 ,
где F (u, v, w )  = (u + 1 ) w + uv – v 2  – 34 u .
Метод решения обобщенно однородных уравнений
Обобщенно однородное уравнение приводится к уравнению, не содержащему независимую переменную, при помощи подстановки:
(2.1) x = e t , y = ze st  при x > 0 ,
или x = – e t , y = ze st  при x < 0 .
Здесь t – новая независимая переменная; z – новая зависимая переменная, то есть функция от t :
z = z (t )  .
Зависимость y (x )  определяется из (2.1) в параметрическом виде.
После подстановки (2.1) в исходное уравнение, множители, содержащие переменную t , сокращаются, и мы получаем дифференциальное уравнение, не содержащее в явном виде зависимую переменную t . Далее приводится пример решения такого уравнения.
Пример
Решить уравнение:
(П2.1) (xy + x 2 √ x  ) y ′′ + yy ′ – x (y ′ )  2  – 34 y √ x  = 0
Решение
В первом примере ⇑ мы показали, что это обобщенно однородное уравнение относительно переменных с измерением однородности для переменной y, s = 3 / 2 . Понижаем его порядок с помощью (2.1).
Поскольку в исходное уравнение входит √ x  , то оно определено при x ≥ 0 . Делаем подстановку
(П2.2) x = e t , y = ze 3t / 2  .
Здесь t – новая независимая переменная; z – зависимая переменная, то есть функция от t :
z = z (t )  .
dxdt = (e t )  ′ = e t 
dydt = (ze 3t / 2 )  ′ = z ′e 3t / 2  + z (e 3t / 2 )  ′ = z ′e 3t / 2  + z 32 e 3t / 2  = ( z ′ + 32 z  ) e 3t / 2  .
Находим производную y по x , применяя правило дифференцирования функции, заданной параметрическим способом.
dydx = dydt dxdt = ( z ′ + 32 z  ) e 3t / 2 e t  = ( z ′ + 32 z  ) e t / 2  .
Тем самым мы нашли производную y по x , в параметрическом виде:
(П2.3)
| dydx = ( z ′ + 32 z  ) e t / 2  |
| x = e t  |
Находим вторую производную y по x . Для этого дифференцируем dydx из (П2.3) по t :
( dydx  )  ′t = ( ( z ′ + 32 z  ) e t / 2  )  ′ = ( z ′ + 32 z  )  ′e t / 2  + ( z ′ + 32 z  ) (e t / 2 )  ′ =
( z ′′ + 32 z ′  ) e t / 2  + ( z ′ + 32 z  ) 12 e t / 2  = ( z ′′ + 2z ′ + 34 z  ) e t / 2  .
Снова применяем правило дифференцирования параметрической функции.
d 2 ydx 2  = ( dydx  )  ′tx ′t = (z ′′ + 2z ′ + 34 z ) e t / 2 e t  = ( z ′′ + 2z ′ + 34 z  ) e – t / 2  .
Подставляем x, y, y ′, y ′′ , выраженные через t, z , и производные z по t в исходное уравнение (П2.1).
(xy + x 2 √ x  ) y ′′ = (e t ze 3t / 2  + e 2t e t / 2 )  ⋅ ( z ′′ + 2z ′ + 34 z  ) e – t / 2  =
(z + 1 ) ( z ′′ + 2z ′ + 34 z  ) e 2t  ;
yy ′ = ze 3t / 2 ( z ′ + 32 z  ) e t / 2  = z ( z ′ + 32 z  ) e 2t  ;
x (y ′ )  2  = e t ( z ′ + 32 z  )  2 e t  = ( z ′ + 32 z  )  2 e 2t  ;
y √ x  = ze 3t / 2 e t / 2  = ze 2t  ;
(xy + x 2 √ x  ) y ′′ + yy ′ – x (y ′ )  2  – 34 y √ x  =
(z + 1 ) ( z ′′ + 2z ′ + 34 z  ) e 2t  + z ( z ′ + 32 z  ) e 2t  – ( z ′ + 32 z  )  2 e 2t  – 34 ze 2t  = 0 .
Сокращаем множитель e 2t  и выполняем дальнейшие преобразования.
(z + 1 ) ( z ′′ + 2z ′ + 34 z  )  + z ( z ′ + 32 z  )  – ( z ′ + 32 z  )  2  – 34 z = 0 ;
(z + 1 ) z ′′ + 2(z + 1 ) z ′ + 34 z (z + 1 )  + zz ′ + 32 z 2  – z ′ 2 – 3zz ′ – 94 z 2  – 34 z = 0 ;
(П2.4) (z + 1 ) z ′′ + 2z ′ – z ′ 2 = 0 .
Мы получили дифференциальное уравнение, не содержащее зависимую переменную t в явном виде. Делаем подстановку
(П2.5) u = z ′ ≡ dzdt .
Теперь мы считаем, что независимой переменной является z , а зависимой – u . То есть u – является функцией от z :
u = u (z )  .
Выражаем вторую производную z по t через переменные z и u , применяя правило дифференцирования сложной функции, и применяя (П2.5).
z ′′ ≡ dz ′dt = dudt = dudz ⋅ dzdt = dudz ⋅ u ;
z ′′ = u dudz .
Подставляем в (П2.4).
(z + 1 ) u dudz + 2u – u 2  = 0 .
Делим на u . При u ≠ 0 имеем:
(z + 1 ) dudz + 2 – u = 0 .
В переменных z и u мы получили дифференциальное уравнение первого порядка. Разделяем переменные и интегрируем.
(z + 1 ) dudz = u – 2 ;
Делим на (z + 1 ) (u – 2 )  . При z ≠ – 1, u ≠ 2 имеем:
duu – 2 = dzz + 1 ;
∫ duu – 2 = ∫ dzz + 1 + C1 ;
ln | u – 2 | = ln | z + 1 | + C1 .
Потенцируем.
| u – 2 | = | z + 1 | ⋅ e C1   .
Раскрытие знаков модулей эквивалентно умножению на постоянную + 1 или – 1 . Заменим постоянную: ± e C1   → C1 .
u – 2 = C1 (z + 1 )  .
Переходим к переменным t и z , подставляя u = dzdt .
dzdt – 2 = C1 (z + 1 )  .
Разделяем переменные и интегрируем.
dzdt = C1 z + C1  + 2 .
При C1 z + C1  + 2 ≠ 0 имеем:
dzC1 z + C1  + 2 = dt ;
∫ dzC1 z + C1  + 2 = ∫ dt + C2 ;
1C1  ∫ d (C1 z + C1  + 2 ) C1 z + C1  + 2 = t + C2 ;
1C1  ln | C1 z + C1  + 2 | = t + C2 ;
ln | C1 z + C1  + 2 | = C1 t + C1 C2 .
Потенцируем.
| C1 z + C1  + 2 | = e C1 t e C1 C2   .
Заменим постоянную ± e C1 C2   → C2  и выполняем преобразования.
C1 z + C1  + 2 = C2 e C1 t  ;
z = C2 C1  e C1 t  – 1 – 2C1  .
Снова заменим постоянную C2 C1  → C2 .
z = C2 e C1 t  – 1 – 2C1  .
Переходим к переменным x и y , используя (П2.2).
y = ze 3t / 2  = ( C2 e C1 t  – 1 – 2C1   ) e 3t / 2  = ( C2 (e t )  C1   – 1 – 2C1   ) (e t )  3 / 2  =
( C2 x C1   – 1 – 2C1   ) x 3 / 2  ;
(П2.6) y = ( C2 x C1   – 1 – 2C1   ) x 3 / 2  .
Теперь рассмотрим случаи u = 0 ⇑, z = – 1 ⇑, u = 2 ⇑, C1 z + C1  + 2 = 0 ⇑, которые мы исключили при выполнении операций деления.
1) Рассмотрим случай u = 0 . Отсюда
z ′ = u = 0, z = C – произвольная постоянная. Тогда
(П2.7) y = ze 3t / 2  = Cx 3 / 2  .
Подстановкой можно убедиться, что z ′ = 0 удовлетворяет уравнению (П2.4). Поэтому (П2.7) является решением исходного уравнения (П2.1).
Однако почти все решения вида (П2.7) уже включены в (П2.6) при C2  = 0 . Из уравнения – 1 – 2C1  = C можно определить C1  для всех C , кроме значения C = – 1 : C1  = – 2C + 1 . Поэтому к решению вида (П2.6) нужно добавить только одно решение (П2.7) с C = – 1 :
y = – x 3 / 2  .
2) Рассмотрим случай z = – 1 . При этом
y = ze 3t / 2  = – x 3 / 2  .
Это решение мы уже добавили.
3) Рассмотрим случай u = 2 :
z ′ = u = 2 ;
z = 2t + C ;
(П2.8) y = ze 3t / 2  = (2t + C ) e 3t / 2  = (2 ln x + C ) x 3 / 2  .
Можно убедиться, что z ′ = 2 удовлетворяет уравнению (П2.4). Поэтому (П2.8) является решением исходного уравнения (П2.1).
4) Рассмотрим случай C1 z + C1  + 2 = 0 . Отсюда
z = – 1 – 2 / C1 ;
Выше мы рассмотрели более общий случай z = C . Поэтому здесь ничего нового нет.
Ответ
y = ( C2 x C1   – 1 – 2C1   ) x 3 / 2  ;
y = – x 3 / 2  ;
y = (2 ln x + C ) x 3 / 2  .
Использованная литература:
В.В. Степанов, Курс дифференциальных уравнений, «ЛКИ», 2015.
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: