Має місце й зворотне твердження: якщо є
кожним з розв'язань рівняння (4.17), те
є
першим інтегралом системи (4.18).
Дійсно, підставимо в замість
будь-яке розв'язання системи (4.18) і
обчислимо повний диференціал цієї функції
.
Оскільки в підставлене розв'язання системи
(4.18) маємо право, з огляду на рівності (4.18), замінити
на
(
– коефіцієнт пропорційності), і вираз
запишеться
.
Але , по припущенню, задовольняє рівнянню
(4.17), значить
. Як відомо, форма першого
диференціала не змінюється при переході до іншим змінних, або, як говорять, є
інваріантною. Підставивши в
розв'язання системи
(4.18), ми одержали функцію однієї змінної в цьому випадку
й, як опинилося, її диференціал дорівнює
нулю. Інакше кажучи, одержали функцію, похідна якої по
(після
підстановки) є тотожним нулем, тобто
не залежить від
й є постійною. А це означає, що
є перший інтеграл системи (4.18).
Таким чином, ми встановили еквівалентність поняття інтеграла системи (4.18) і розв'язання рівняння в частинних похідних (4.17).
Раніше були доведено , що якщо
,
,…,
...
є першими незалежними
інтегралами системи (4.18), то будь-яка диференційована функція цих інтегралів теж буде інтегралом цієї системи. А це
означає, що довільна функція від будь-яких розв'язань рівняння (4.17) теж є
розв'язанням цього рівняння. Більш того, має місце наступне твердження:
Якщо
,
,…,
є першими незалежними інтегралами
системи (4.18), то функція
,
(4.20)
де - довільна диференційована функція, є
загальним розв'язанням рівняння (4.19) , тобто
містить будь-яке частинне розв'язання цього рівняння.
Доведення.
Нехай - перші незалежні інтеграли
системи (4.18). Додаючи до них який завгодно новий інтеграл цієї ж самої
системи, наприклад
(4.20), будемо мати
(4.21)
Система (4.21) є лінійною однорідною алгебраїчною системою для
визначення функцій
і має
ненульове розв'язання (ми думаємо, що хоча б один з
) тоді й
тільки тоді, коли визначник цієї системи тотожно дорівнює нулю, тобто
.
(4.22)
Звідси, у силу основної теореми про якобіан, маємо, що між функціями й
існує
функціональна залежність
(4.23)
(тотожна відносно ). Відзначимо, що у функціональному
визначнику, що стоїть в лівій частині рівності (4.22), свідомо один з мінорів
порядку останнього рядка не дорівнює
тотожно нулю. Справді, якщо система (4.18) має неособливі початкові значення
, причому
, то в
припущенні, що в системі (4.18)
узяте за незалежну
змінну й перші інтеграли мають вигляд
при
значенні змінних, близьких до початкових
.
А це означає, що в силу тієї ж теореми про якобіан, співвідношення
(4.23) можна розв'язати щодо функції , тобто одержуємо
.
(4.24)
Виходить, будь-яке розв'язання рівняння (4.17) міститься у формулі (4.24). Теорема доведена й формула (4.24) дає загальне розв'язання рівняння (4.17)
Висновок: для того
щоб знайти загальне розв'язання лінійного однорідного рівняння в частинних
похідних (4.17), необхідно побудувати еквівалентну йому систему звичайних
диференціальних рівнянь (4.18) і знайти незалежних
інтегралів цієї системи. Тоді
, де
- довільна диференційована функція, і буде
загальним розв'язанням рівняння (4.17).
Повертаючись до рівняння (4.13), можемо сформулювати алгоритм його інтегрування (розв'язання рівняння (4.13) зводиться до розв'язання рівняння (4.16)):
1) складаємо систему
(4.25)
еквівалентну рівнянню
,
і,
розв’язав її, знаходимо перших незалежних
інтегралів
2) дорівнюємо до нуля або до постійного довільну диференційовану функцію від цих інтегралів, тобто
.
(4.26)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.