Методы решения физико-математических задач

Обобщенно однородные дифференциальные уравнения относительно переменных высших порядков

Обобщенно однородное относительно переменных дифференциальное уравнение высшего порядка и метод понижения его порядка
Дано определение и указано как распознать обобщенно однородное относительно переменных дифференциальное уравнение высшего порядка. Приводится подстановка, с помощью которой в этом уравнении можно понизить порядок. Подробно рассмотрен пример решения обобщенно однородного ДУ второго порядка.

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 → tsy . 
При этом производная порядка m умножается на ts – m   : 
y (m )   = dmy(dx ) m → dmtsy(d (tx ) ) m = tstmdmy(dx ) m = ts – my (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, tsy, tsdytdx , tsd 2yt 2dx 2 ,...   , tsdnytndxn  )  = tp  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, tsy, ts – 1y, ts – 2y′′,...  , ts – ny (n )  )  = 0 ; 
tp  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(yxs , yxs – 1 , y′′xs – 2 , ⋅ ⋅ ⋅   , y (n ) xs – 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 → tkx,  y → tsy , 
введя измерение однородности k и для переменной x . Однако, если принять во внимание, что ts  = (tk ) 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 → tsy,  y → ts – 1y,  y′′ → ts – 2y′′,  . . .,  y (n )   → ts – ny (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 2x ) y′′ + yy – x (y )  2  – 34yx = 0 . 

Для этого делаем замену (1), и попытаемся найти такое s , при котором t сократится:
x → tx,  y → tsy ; 
y = dydx → d (tsy ) d (tx )  = tstdydx = ts – 1y ; 
y′′ = d 2y(dx )  2 → d 2 (tsy ) (d (tx ) )  2 = tst 2d 2y(dx )  2 = ts – 2y′′ ; 
xyy′′ → txtsyts – 2y′′ = t 2s – 1xyy′′ ; 
x 2xy′′ = x 2 + 1 / 2y′′ →  (tx )  2 + 1 / 2ts – 2y′′ = ts + 1 / 2x 2xy′′ ; 
yy → tsyts – 1y = t 2s – 1yy ; 
x (y )  2  → tx (ts – 1y )  2  = t 2s – 1x (y )  2  ; 
34yx → 34tsytx = ts + 1 / 234yx  . 
Левая часть уравнения (П1):
(xy + x 2x ) y′′ + yy – x (y )  2  – 34yx → 
t 2s – 1xyy′′ + ts + 1 / 2x 2xy′′ + t 2s – 1yy – t 2s – 1x (y )  2  – ts + 1 / 234yx  . 
Для того, чтобы множители, содержащие t можно было вынести за скобки, они должны быть равны:
t 2s – 1  = ts + 1 / 2  = t 2s – 1  = t 2s – 1  = ts + 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 2x ) y′′ + yy – x (y )  2  – 34yx
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 2x ) y′′ + yy – x (y )  2  – 34yx = 
(x 5 / 2yx 3 / 2 + x 5 / 2  )x – 1 / 2y′′x – 1 / 2 + x 2yx 3 / 2yx 1 / 2 – x ⋅ x(yx 1 / 2  ) 2  – 34x 3 / 2yx 3 / 2x 1 / 2  = 
x 2[(yx 3 / 2 + 1  )y′′x – 1 / 2 + yx 3 / 2yx 1 / 2 – (yx 1 / 2  ) 2  – 34yx 3 / 2  ]  = 
x 2F(yx 3 / 2 , yx 1 / 2 , y′′x – 1 / 2  )  = 0 . 
Отсюда получаем уравнение
F(yx 3 / 2 , yx 1 / 2 , y′′x – 1 / 2  )  = 0 , 
где F (u, v, w )  =  (u + 1 ) w + uv – v 2  – 34u . 

Метод решения обобщенно однородных уравнений

Обобщенно однородное уравнение приводится к уравнению, не содержащему независимую переменную, при помощи подстановки:
(2.1)   x = et ,  y = zest при x > 0 , 
или x = – et ,  y = zest 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 2x ) y′′ + yy – x (y )  2  – 34yx = 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 = et ,  y = ze 3t / 2  . 
Здесь t – новая независимая переменная; z – зависимая переменная, то есть функция от t :
z = z (t )  . 

В исходное уравнение (П2.1) входят производные y и y′′ по переменной x . Выразим их через переменную t . Для этого из (П2.2) находим производные x и y по t :
dxdt = (et )  = et
dydt = (ze 3t / 2 )  = ze 3t / 2  + z (e 3t / 2 )  = ze 3t / 2  + z32e 3t / 2  = (z + 32z  )e 3t / 2  . 
Находим производную y по x , применяя правило дифференцирования функции, заданной параметрическим способом.
dydx = dydtdxdt = (z + 32z  )e 3t / 2et = (z + 32z  )et / 2  . 
Тем самым мы нашли производную y по x , в параметрическом виде:
(П2.3)  
{
dydx = (z + 32z  )et / 2
x = et

Находим вторую производную y по x . Для этого дифференцируем dydx из (П2.3) по t :
(dydx  )t = ((z + 32z  )et / 2  ) = (z + 32z  )et / 2  + (z + 32z  ) (et / 2 )  = 
(z′′ + 32z  )et / 2  + (z + 32z  )12et / 2  = (z′′ + 2z + 34z  )et / 2  . 
Снова применяем правило дифференцирования параметрической функции.
d 2ydx 2 = (dydx  )txt = (z′′ + 2z + 34z ) et / 2et = (z′′ + 2z + 34z  )e – t / 2  . 

Подставляем x,  y,  y,  y′′ ,  выраженные через t,  z ,  и производные z по t в исходное уравнение (П2.1).
(xy + x 2x ) y′′ =  (etze 3t / 2  + e 2tet / 2 )  ⋅ (z′′ + 2z + 34z  )e – t / 2  = 
 (z + 1 ) (z′′ + 2z + 34z  )e 2t  ; 
yy = ze 3t / 2(z + 32z  )et / 2  = z(z + 32z  )e 2t  ; 
x (y )  2  = et(z + 32z  ) 2et  = (z + 32z  ) 2e 2t  ; 
yx = ze 3t / 2et / 2  = ze 2t  ; 
(xy + x 2x ) y′′ + yy – x (y )  2  – 34yx = 
 (z + 1 ) (z′′ + 2z + 34z  )e 2t  + z(z + 32z  )e 2t  – (z + 32z  ) 2e 2t  – 34ze 2t  = 0 . 
Сокращаем множитель e 2t и выполняем дальнейшие преобразования.
(z + 1 ) (z′′ + 2z + 34z  )  + z(z + 32z  )  – (z + 32z  ) 2  – 34z = 0 ; 
(z + 1 ) z′′ + 2(z + 1 ) z + 34z (z + 1 )  + zz + 32z 2  – z 2 –  3zz – 94z 2  – 34z = 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′′ ≡ dzdt = dudt = dudz ⋅ dzdt = dudz ⋅ u ; 
z′′ = ududz  . 
Подставляем в (П2.4).
(z + 1 ) ududz + 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 |  ⋅ eC1  . 
Раскрытие знаков модулей эквивалентно умножению на постоянную + 1 или – 1 .  Заменим постоянную: ± eC1  → 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 = C1z + C1  + 2 . 

При C1z + C1  + 2 ≠ 0 имеем:
dzC1z + C1  + 2 = dt ; 
dzC1z + C1  + 2 = dt + C2  ; 
1C1d (C1z + C1  + 2 ) C1z + C1  + 2 = t + C2  ; 
1C1 ln  | C1z + C1  + 2 |  = t + C2  ; 
ln  | C1z + C1  + 2 |  = C1t + C1C2  . 
Потенцируем.
 | C1z + C1  + 2 |  = eC1teC1C2  . 
Заменим постоянную ± eC1C2  → C2 и выполняем преобразования.
C1z + C1  + 2 = C2eC1t  ; 
z = C2C1eC1t  – 1 – 2C1  . 
Снова заменим постоянную C2C1 → C2  . 
z = C2eC1t  – 1 – 2C1  . 

Переходим к переменным x и y , используя (П2.2).
y = ze 3t / 2  = (C2eC1t  – 1 – 2C1  )e 3t / 2  = (C2 (et ) C1  – 1 – 2C1  ) (et )  3 / 2  = 
(C2xC1  – 1 – 2C1  )x 3 / 2  ; 
(П2.6)   y = (C2xC1  – 1 – 2C1  )x 3 / 2  . 

Теперь рассмотрим случаи u = 0, z = – 1, u = 2, C1z + 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 C1z + C1  + 2 = 0 .  Отсюда
z = – 1 – 2 / C1  ; 
Выше мы рассмотрели более общий случай z = C .  Поэтому здесь ничего нового нет.

Ответ

y = (C2xC1  – 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:

Меню