Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
диф 1.pdf
Скачиваний:
121
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
2.19 Mб
Скачать

13

F(x) = M (x)dx, Ф(y) = N (y)dy .

Конечное (не дифференциальное) соотношение (1.8) и является общим интегралом уравнения (1.7).

Пример. Решить уравнение ex dx + ln ydy = 0.

Очевидно, это уравнение с разделëнными переменными. Интегрируя его, получим

ex dx + ln ydy = C.

Следовательно, общий интеграл уравнения будет ex + y(ln y 1) = C.

Дифференциальное уравнение вида

M1 (x)N1 (y)dx + M 2 (x)N2 (y)dy = 0,

(1.9)

в котором коэффициенты при дифференциалах распадаются на произведение сомножителей, каждый из которых зависит только от одной переменной, называется дифференциальным уравне-

нием с разделяющимися переменными.

Уравнение (1.9) делением обеих частей на произведение функций N1 (y)M 2 (x) 0 приводится к уравнению с разделëнны-

ми переменными

 

 

 

 

M1 (x) dx +

N2 (y)dy = 0,

 

M 2 (x)

N1 (y)

общий интеграл которого

 

 

 

M1 (x)

dx +

N2 (y)

dy = C.

 

 

 

 

M 2 (x)

 

N1 (y)

Пример. Решить равнение (1 + y2 )xdx + (1 + x2 )ydy = 0. Разделяем переменные делением на выражение (1+ y2)(1+ x2) 0:

x

dx +

y

dy = 0.

1+ x2

1+ y2

 

 

Интегрируем полученное уравнение с разделëнными переменн ы- ми

1 +xx2 dx + 1 +yy2 dy = C1.

Тогда

14

12ln(1+ x2)+ 12ln(1+ y2) = C1

Так как C1 - произвольная постоянная, принимая еë для упрощ е- ния полученного выражения в виде C1 = 12lnC, представим общий интеграл уравнения в виде (1 + x2 )(1 + y2 ) = C.

1.4. Однородные дифференциальные уравнения

Предварительно введем понятие однородной функции. Функция двух переменных f (x, y) называется однородной

n –го измерения, если при любом k > 0 справедливо равенство

f(kx,ky) = k n f (x, y).

Вчастности, если при изменении аргументов x и y в k раз

вид функции не меняется, то есть f (kx,ky) = f (x, y), то функция f (x, y) называется однородной нулевого измерения.

Соответственно дифференциальное уравнение первого порядка, разрешëнное относительно производной y′ = f (x, y), на-

зывается однородным, если правая часть f (x, y) есть однород-

ная функция нулевого измерения.

Если уравнение первого порядка записано в форме, содержащей дифференциалы M (x,y)dx + N (x,y)dy = 0, то оно будет

однородным, если M (x, y) и N (x, y) - однородные функции од-

ного и того же измерения.

Однородное дифференциальное уравнение подстановкой

 

 

 

 

 

 

 

t =

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

приводится к уравнению с разделëнными переменными.

 

Действительно, пусть уравнение

y′ = f (x, y)

однородное.

Тогда

f (kx,ky) = f (x, y). Полагая

k =1/ x , получим

f (kx,ky) = f (x, y) =

= f (1, y / x).

Введем теперь

новую функцию t = y / x.

Тогда

y = tx ,

y

= t x +t,

и уравнение примет вид

t x +t = f (1,t) =ϕ(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или dt

x =ϕ(t)t.

 

dt

 

= dx - уравнение с разделëнными

ϕ(t)

t

dx

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

переменными.

15

Пример. Решить уравнение

(x + y)dx + (y x)dy = 0.

Преобразуем уравнение к виду

 

 

 

x + y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ =

 

.

 

 

 

 

 

kx +ky

 

x + y

 

 

 

x y

 

 

 

 

Так как

=

 

, то исходное уравнение однородное.

kx ky

x y

 

 

y = tx

и

 

y

= t x +t.

 

Полагаем t = y / x,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда уравнение примет вид

 

 

 

 

1+t

 

 

1+t2

1 + t 2

 

x +tx 1+t

 

dt

 

 

 

 

 

= 1t

или x dx

=

1t

t =

1t ,

xdt = 1 t dx.

t x +t = x tx

Разделив обе части уравнения на

x

1+t2

0, приходим к уравне-

 

1t

нию с разделëнными переменными

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 t

 

dt = dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + t 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

Интегрируя его, находим

arctg t 12ln (1 + t 2 ) = ln x + C

или

arctg t ln (x1+t2 ) = C.

Возвращаясь к старой переменной, получим общий интеграл исходного уравнения в виде

C= arctg xy ln x2 + y2 .

1.5.Дифференциальные уравнения, приводящиеся к однородным

Дифференциальное уравнение вида

 

 

 

a1 x + b1 y + c1

 

y

=

 

 

 

 

f a

2

x + b y + c

2

 

 

 

 

 

 

2

 

называется приводящимся к однородному. В частности, к этому классу относится уравнение вида

16

y′ = a1x +b1 y +c1 . a2x +b2 y +c2

Некоторые из коэффициентов (но не одновременно

быть равны нулю.

Следует различать два случая:

(1.10)

c1 и c2) могут

1). Если определитель δ =

 

a1

b1

 

0,

то уравнение (1.10)

 

 

 

 

a

2

b

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

приводится к однородному подстановкой

 

x = u +α, y = v + β ,

(1.11)

где постоянные a и β определяются из системы уравнений:

a1α + b1β + c1 = 0,

a2α + b2β + c2 = 0.

Заметим, что эту систему уравнений можно записать непосредственно по виду правой части уравнения (1.10), если заменить в ней x на α , y на β и приравнять числитель и знаменатель дроби ну-

лю.

Учитывая, что du = dx, dv = dy, следовательно, dydx = dudv , и

подставляя (1.11) в (1.10), получим однородное уравнение относительно новой функции v(u):

dv =

a1 (u +α)+b1 (v + β)+c1

=

a1u +b1v + a1α +b1β +c1

=

a1u +b1v

.

du

a

(u +α)+b

(v + β)+c

2

 

a

u +b v + a α +b

β +c

2

 

a

u +b v

 

2

2

 

 

2

 

2

2

2

 

2

2

 

Полагая далее

 

 

t = v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

приводим последнее уравнение к уравнению с разделяющимися переменными.

2) Если определитель

δ =

 

a1

b1

 

 

= 0,

 

 

a

2

b

 

 

 

 

2

 

то уравнение (1.10) сразу приводится к уравнению с разделëн ными переменными заменой u = a1x +b1 y.