Методы решения физико-математических задач

Дифференциальное уравнение y(n) = f(x)

Дифференциальные уравнения, решающиеся непосредственным интегрированием
Рассмотрено дифференциальное уравнение, в котором n-я производная равна функции от независимой переменной x. Такое уравнение решается непосредственным интегрированием n раз. Также его можно решить, выполняя однократное интегрирование с помощью формулы Коши для повторных интегралов. Дан подробный пример решения такого уравнения.
()( \displaystyle \newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits} )()

Общее решение

Рассмотрим дифференциальное уравнение n-го порядка, в котором n-я производная равна функции от независимой переменной x :
(1)   y (n )   =  f (x )  . 
Оно решается непосредственным интегрированием.
y (n )   = dy (n – 1 )  dx =  f (x )  ; 
y (n – 1 )   = ∫  f (x )  dx + C1  ; 
y (n – 2 )   = ∫ y (n – 1 )  (x )  dx + C2  =  ∫ ( ∫  f (x )  dx + C1  ) dx + C2  = 
 ∫ ∫  f (x )  dx dx + C1 ∫ dx + C2  ; 
y (n – 2 )   = ∫ ∫  f (x )  dx dx + C1 x + C2  ; 
y (n – 3 )   = ∫ y (n – 2 )  (x ) dx + C3  =  ∫  (∫ ∫  f (x ) dxdx + C1 x + C2 ) dx +  C3  = 
 ∫ ∫ ∫  f (x )  dx dx dx +  C1 ∫ x dx + C2 ∫  dx + C3  ; 
y (n – 3 )   = ∫ ∫ ∫  f (x )  dx dx dx +  C1 2 x 2  + C2 x + C3  ; 
. . . . . . . .
y =  ∫ ∫ ⋅ ⋅ ⋅ ∫ ∫n раз  f (x )  dx dx⋅ ⋅ ⋅dx dx + 
 C1 (n – 1 ) ! x n – 1  +  C2 (n – 2 ) ! x n – 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Cn – 1 x + Cn  . 
Заменим постоянные интегрирования:
C1 (n – 1 ) ! = ~Cn ,  C2 (n – 2 ) ! = ~Cn – 1 ,  ..., Cn – 1  = ~C2 ,  Cn  = ~C1  . 
Тогда
(2)   y =  ∫ ∫ ⋅ ⋅ ⋅ ∫ ∫n раз  f (x )  dx dx⋅ ⋅ ⋅dx dx +  ~C1  + ~C2 x + ~C3 x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + ~Cn x n – 1  . 
В результате мы получили общее решение (2) уравнения (1). Оно представляет собой сумму n-кратного повторного интеграла и многочлена степени n – 1 . 

Таким образом, если нас интересует общее решение уравнения (1), то мы должны проинтегрировать функцию  f (x )  n раз, и прибавить многочлен степени n – 1 ,  коэффициентами которого являются постоянные интегрирования.

Частное решение с заданными начальными условиями

Если нас интересует задача Коши с заданными начальными условиями
(3)   y (n – 1 )  (x0 )  = C1 ,   y (n – 2 )  (x0 )  = C2 ,...,   y ′(x0 )  = Cn – 1 ,  y (x0 )  = Cn  , 
то соответствующее частное решение имеет следующий вид:
(4)   y (x )  =  x∫x0  xn ∫x0  ⋅ ⋅ ⋅ x3 ∫x0  x2 ∫x0   f (x1 ) dx1 dx2 ⋅ ⋅ ⋅dxn – 1 dxn  + C1 (n – 1 ) ! (x – x0 )  n – 1  + 
 C2 (n – 2 ) ! (x – x0 )  n – 2  + ⋅ ⋅ ⋅ +  Cn – 1 (x – x0 )  + Cn  . 
См. «Решение дифференциального уравнения y(n)=f(x) с заданными начальными условиями».

Применение формулы Коши для повторных интегралов

Входящий в (4) n-кратный интеграл можно свести к однократному, если воспользоваться формулой Коши для повторных интегралов:
(5)   x∫x0  xn ∫x0  ⋅ ⋅ ⋅ x3 ∫x0  x2 ∫x0   f (x1 ) dx1 dx2 ⋅ ⋅ ⋅dxn – 1 dxn  = 1(n – 1 ) ! x∫x0  (x – t )  n – 1  f (t )  dt . 
Тогда решение уравнения (1) с начальными условиями (3) примет более простой вид:
(6)   y (x )  =  1(n – 1 ) ! x∫x0  (x – t )  n – 1  f (t )  dt + 
 C1 (n – 1 ) ! (x – x0 )  n – 1  +  C2 (n – 2 ) ! (x – x0 )  n – 2  + ⋅ ⋅ ⋅ +  Cn – 1 (x – x0 )  + Cn  . 

Вывод формулы Коши (5) изложен на странице «Формула Коши для повторных интегралов». Здесь мы покажем, что функция y (x )  ,  определяемое по формуле (6), удовлетворяет дифференциальному уравнению (1).

Дифференцируем (6):
y ′ = 1(n – 1 ) !  limt → x ((x – t )  n – 1  f (t ) )  + 1(n – 1 ) ! ⋅ x∫x0  ∂((x – t )  n – 1  f (t ) ) ∂x dt + 
 C1 (n – 1 ) (n – 1 ) ! (x – x0 )  n – 2  +  C2 (n – 2 ) (n – 2 ) ! (x – x0 )  n – 3  + ⋅ ⋅ ⋅ +  Cn – 1  = 
1(n – 1 ) ! (x – x )  n – 1  f (x )  + n – 1(n – 1 ) ! x∫x0  (x – t )  n – 2  f (t )  dt + 
C1 (n – 2 ) ! (x – x0 )  n – 2  +  C2 (n – 3 ) ! (x – x0 )  n – 3  + ⋅ ⋅ ⋅ +  Cn – 1  = 
0 + 1(n – 2 ) ! x∫x0  (x – t )  n – 2  f (t )  dt+ C1 (n – 2 ) ! (x – x0 )  n – 2  +  C2 (n – 3 ) ! (x – x0 )  n – 3  + ⋅ ⋅ ⋅ + Cn – 1  . 

Выполняя n – 1 дифференцирований, получаем:
y (n – 1 )   = x∫x0   f (t )  dt + C1  . 
Дифференцируя еще раз, приходим к уравнению (1):
y (n )   =  f (x )  . 

Пример

Найти общее решение уравнения:
y ′′′ sin 4 x = sin 2x . 

Решение

Разделим исходное уравнение на sin 4 x .  При sin x ≠ 0 получаем уравнение вида (1):
y ′′′ = sin 2xsin 4 x  . 

Преобразуем, применяя формулу тригонометрии:
y ′′′ = sin 2xsin 4 x = 2 sin x cos xsin 4 x = 2 cos xsin 3 x  . 
Интегрируем:
y ′′ = 2 ∫ cos xsin 3 x dx=  2 ∫ (sin x )  – 3 d (sin x ) =  2– 3 + 1 (sin x )  – 3 + 1  + C1  = 
– 1sin 2 x + C1  . 
Интегрируем еще два раза:
y ′ = – ∫ dxsin 2 x + C1 ∫ dx=  ctg x + C1 x + C2  ; 
y = ∫ ctg x dx+  ∫ (C1 x + C2 )  dx=  ∫ cos x dxsin x + 12 C1 x 2  + C2 x = 
∫ d (sin x ) sin x +  12 C1 x 2  + C2 x =  ln  |  sin x |  + 12 C1 x 2  + C2 x + C3  . 

Преобразуем постоянные интегрирования:
C1  → 2C3 ;  C3  → C1  . 

Ответ

y = ln  |  sin x |  +  C1  + C2 x + C3 x 2  . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню