НЕКОТОРЫЕ ТИПЫ УРАВНЕНИЙ, ДОПУСКАЮЩИЕ ПОНИЖЕНИЕ ПОРЯДКА
ЗАНЯТИЕ 5. Дифференциальные уравнения высших порядков.
План:
- Дифференциальное уравнение n-го порядка, зависящее только от переменной.
- Дифференциальное уравнение n-го порядка, не содержащее явно у и младших производных до порядка k-1 включительно.
- Дифференциальное уравнение n-го порядка, не содержащее явно независимой переменной.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Обыкновенным дифференциальным уравнением называется уравнение, связывающее между собой значения независимой переменной x, неизвестной функции y = f(x) и её производных (или дифференциалов):
.
Опр. Порядком уравнения называется максимальный порядок n входящей в него производной (или дифференциала).
Опр. Частным решением уравнения на интервале (a, b) (конечном или бесконечном) называется любая n раз дифференцируемая функция
, удовлетворяющая этому уравнению, т.е. обращающая уравнение на этом интервале в тождество.
Опр. Общим решением (общим интегралом) уравнения называется такое соотношение
, что:
1. Любое решение
этого соотношения относительно y (для набора постоянных C1, C2, …, Cn из некоторой области n-мерного пространства) является частным решением уравнения ;
2. Любое частное решение уравнения может быть получено из общего решения
при некотором наборе постоянных C1, C2, …, Cn.
Основную теорему - теорему о существовании и единственности решения задачи Коши для уравнения n-го порядка -мы сформулируем для записи уравнения в форме, разрешённой относительно старшей производной:
.
Постановка задачи Коши для уравнения n-го порядка: требуется найти решение уравнения
;
|
удовлетворяющее начальным условиям
|
где y0, y1, y2, …, yn-1 - заданные числа.
В случае уравнения второго порядка это означает, что требуется найти решение, проходящее через заданную точку (x0, y0,) с заданным угловым коэффициентом y1.
НЕКОТОРЫЕ ТИПЫ УРАВНЕНИЙ, ДОПУСКАЮЩИЕ ПОНИЖЕНИЕ ПОРЯДКА.
1.Уравнение вида
решается последовательным n-кратным интегрированием.
Пример1. 
Переобозначив постояные, общее решение запишем в виде
y = cos x + C1x3 + C2x2 + C3x + C4.
2 .Уравнение, не содержащее в явном виде неизвестную функцию и её младшие производные.
Порядок уравнения вида F(x, y(k), y(k+1), y(k+2), …,y(n)) = 0, не содержащего функции y(x) и k - 1 младшую производную этой функции в явном виде, может быть понижен ровно на k единиц введением новой неизвестной функции z(x) = y(k)(x).
Тогда
z(n-k) = y(n)(x),
и относительно z(x) уравнение примет вид
, т.е. будет уравнением n - k-го порядка.
После нахождения z(x) последовательным интегрированием решается уравнение
y(k) = z(x).
Пример2. Решить задачу Коши:
. Младшая производная, входящая в явной форме в уравнения, - вторая, поэтому делаем замену искомой функции
. Тогда
, и уравнение примет вид
. Это - уравнение Бернулли; пусть z = uv, тогда
,
,
,
следовательно,
. Относительно y(x) - это уравнение
. Мы можем последовательно находить
и так далее, однако в этом нет необходимости. Так как мы решаем задачу Коши, то из начального условия
при x = 1 можно определить и знак частного решения, и значение постоянной C1:
. Теперь
. Из условия
при x = 1 находим C2:
; из условия y = 3 при x = 1 находим C3:
.
Окончательный ответ:
.
3. Уравнение, не содержащее в явном виде независимую переменную x.Порядок уравнения
, не содержащего явно x, может быть понижен на 1 с помощью красивого искусственного приёма, который заключается в том, что вводится новая функциональная зависимость
от y:
. Старшие производные y по xвычисляются по правилу дифференцирования сложной функции:
.
Аналогично, 
Также находятся следующие производные, и всегда k -ая производная y по x выражается через k-1 -ую производную p по y.
В случае уравнения второго порядка
в результате таких преобразований получим
, т.е. уравнение первого порядка (в котором y выступает как аргумент, p(y) - как неизвестная функция). После нахождения решения p = p(y, C1) этого уравнения решается уравнение
, решение которого y = y(x, C1, C2) будет общим решением исходного уравнения.
Пример 3. Задача Коши
.
Переменная x явно в уравнение не входит, поэтому полагаем
,
, тогда
.
Просто сократить на p это уравнение нельзя, так как можно потерять семейство решений
, поэтому рассматриваем два случая:
1.
;
2.
Это - уравнение с разделяющимися переменными:
.
Получено уравнение
, решаем его: 
. Это общее решение уравнения, в данном случае оно включает в себя решение y = C при C2 = 0.
Находим значения постоянных, при которых удовлетворяются начальные условия: из
.
Далее, из
следует, что
, т.е. C2 = 0.
Частное решение -
, т.е. y = 2.
Пример 4. 
Данное уравнение – уравнение 3 типа, поэтому вводим замену
. Интеграл от дифференциала в левой части этого равенства вообще не берётся, поэтому проверим, не упростится ли задача, если использовать начальные условия. Так как при x = 0 должно быть
, то получим
.
Поэтому частное решение должно удовлетворять уравнению
. Находим
:
.
Ответ: решение задачи Коши 