Зауваження. Та ж
геометрична мова, що для рівнянь із двома незалежними змінними користується
тривимірним простором, застосовується за аналогією до будь-якого числа змінних,
причому використається поняття многомірного простору. Сукупність числових значень
називають точкою
–
мірного простору; розв'язання рівняння (4.1) виду
-
є інтегральна поверхня вимірів у цьому просторі. Початкові умови
задачі Коші (4.7) представляють поверхню
вимірів,
через яку повинна пройти шукана інтегральна поверхня.
Виходячи із задачі Коші, можемо затверджувати, що сукупність всіх частинних
розв'язань рівняння в частинних похідних першого порядку вийде, якщо давати
всілякі (припустимі) види тої функції від
аргументів, що входить в умови Коші (4.7).
У цьому значенні можна сказати, що сукупність розв'язань рівняння першого
порядку залежить від однієї довільної функції – саме тієї, котра входить в
умови Коші. Аналогічна сукупність частинних розв'язань рівняння
-того порядку залежить від
довільних функцій
аргументів,
що становлять умови Коші для рівняння
-того
порядку:
(4.12)
Однак цим не вирішується питання про загальне розв'язання, тобто про
таке вираження шуканого у функції незалежних
змінних, довільних постійних і функцій, з якого можна одержати будь-яке
частинне розв'язання. У більшості випадків, крім рівнянь у частинних похідних
першого порядку, представлення загального розв'язання, що як явно залежить від
довільних функцій, неможливо.
Лінійними рівняннями називають рівняння, які містять частинні похідні тільки в першому степені. Загальний вид лінійного рівняння в частинних похідних першого порядку такий:
(4.13)
де -
неперервні функції (разом зі своїми частинними похідними) незалежних змінних
й
.
Оскільки шукана функція
може входити в
и
в
різних степенях, то рівняння типу (4.13) часто називають квазілінійним.
Якщо
, а
не
залежать від
, то таке рівняння називають лінійним
однорідним рівнянням у частинних похідних. Виходить, воно буде мати вигляд
.
Нехай
(4.14)
є інтегралом рівняння (4.13),
тобто шукана функція визначається рівністю (4.14) як
неявна функція від
. Виходить,
у деякій області зміни
. Диференціюючи співвідношення (4.14),
одержуємо
.
Якщо тепер помножити перше із цих рівностей на ,
друге на
, і т.д., останнє на
й скласти всі результати множення,
одержимо
Вираження в круглих дужках тотожно дорівнює (по
припущенню
– розв'язання рівняння (4.13)), а тому
остаточно одержуємо рівняння
(4.16)
для знаходження функції . Очевидно, що коефіцієнти рівняння (4.16)
не містять шуканої функції
й вільний член рівняння
дорівнює нулю, тобто рівняння (4.16) є лінійним однорідним рівнянням.
Висновок: знаходження розв'язань рівняння (4.13) зводиться до знаходження розв'язання лінійного однорідного рівняння (4.16).
У зв'язку із цим доцільно, насамперед, розглянути лінійне однорідне рівняння
, (4.17)
де шукана
функція, а
- функції тільки незалежних змінних
(і хоча б один з
).
Розв'язання рівняння (4.17) зводиться до розв'язання відповідної йому еквівалентної системи звичайних диференціальних рівнянь першого порядку.
Візьмемо систему звичайних диференціальних рівнянь у симетричній формі
,
(4.18)
яку називають відповідну рівнянню (4.17).
Нехай, наприклад, - незалежна змінна, а
- функції, які є розв'язаннями системи
(4.18). Відомо, що система (4.18) допускає
незалежних
інтегралів
,
,…,
...
Візьмемо кожного з них, наприклад, .
Виходячи з визначення інтеграла, будемо мати
або
.
Заміняючи в останнім рівнянні пропорційними
їм величинами
,
одержуємо
. (4.19)
Остання рівність є тотожністю, тому що воно має місце для будь-якої
системи значень, які задовольняють системі
(4.18), тобто незалежно від того, яке саме розв'язання цієї системи підставляти
в
Виходить, функція
є
розв'язанням рівняння (4.17)
Висновок: кожен інтеграл системи (4.18) є розв'язанням рівняння (4.17).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.