Уравнения в полных дифференциалах достаточно легко
интегрируются. Поэтому возникает вопрос, нельзя ли каким-то образом в общем
случае уравнение (4.1) свести к уравнению в полных дифференциалах? В частности,
нельзя ли найти такую функцию , чтобы после умножения
на неё левой части равенства (4.1) превратить её в полный дифференциал?
Оказывается, при определённых условиях это можно
сделать. При этом множитель называют интегрирующим
множителем уравнения (4.1). Ответ на поставленный вопрос даёт теорема.
Т е о р е м а 2. Если для уравнения (4.1)
выполняются условия теоремы 1 и уравнение имеет общий интеграл , то оно имеет бесконечное множество
интегрирующих множителей и все они выражаются формулой
,
где
- произвольная дифференцируемая функция,
- один интегрирующий множитель.
Д о к а з а т е л ь с т в о. 1. Покажем сначала, что
при выполнении условий теоремы существует хотя бы один интегрирующий множитель.
Предположим, что уравнение (4.1) имеет общий интеграл (4.4) . Запишем уравнение (4.1) и
дифференциал его общего интеграла
;
.
Рассматривая эти два равенства как однородную систему
алгебраических уравнений относительно ,
и учитывая, что
,
т. е. система имеет нетривиальное решение, делаем вывод, что её определитель равен
нулю
.
Отсюда при следует равенство
.
Приравнивая эти отношения к ,
получим
,
.
Значит, уравнение (4.1) после умножения его на множитель
сводится к уравнению в полных
дифференциалах:
.
Этим доказано существование интегрирующего множителя.
2. Покажем теперь, что интегрирующих множителей бесконечное множество.
Пусть найден один интегрирующий множитель , т. е.
, и ему
соответствует общий интеграл
уравнения (4.1). Тогда
существует бесконечное множество интегрирующих множителей этого уравнения и все
они выражаются формулой
, где
- произвольная дифференцируемая функция.
Очевидно, что функция , где
- произвольная дифференцируемая функция,
тоже будет общим интегралом уравнения. В самом деле, поскольку на интегральных
кривых уравнения (4.1)
, то на этих самых кривых
. Так как
(4.17)
то -
интеграл уравнения (4.1) и, согласно (4.17),
-
(4.18)
его интегрирующий множитель. Из
произвольности функции , а значит и
интегрирующих множителей вида (4.18)
бесконечное множество.
С л е д с т в и е. Если уравнение (4.1) имеет два
независимых интегрирующих множителя и
, то общий интеграл уравнения может быть
найден без квадратур в виде
. (4.19)
В самом деле, из (4.18) следует, что если функция непрерывно дифференцируемая, то
- интеграл уравнения (4.1), и его общий
интеграл определяется равенством (4.19).
З а м е ч а н и е 1. При умножении уравнения (4.1) на
интегрирующий множитель могут появиться
посторонние решения, которые появляются из уравнения
.
Их необходимо найти и отбросить.
П р и м е р 1. Уравнение
имеет независимые интегрирующие
множители и
.
Построить общее решение.
Р е ш е н и е. Из замечания 1 следует, что - общий интеграл. Поэтому
и общий интеграл
.
Обратим внимание, что в этом примере после умножения
уравнения на получаем уравнение
,
которое обращается в ноль при , т. е. при
и
. Но это не посторонние решения уравнения,
так как они входят в общее решение и являются частными решениями при
.
К сожалению, общего простого алгоритма для нахождения интегрирующего множителя нет. Поэтому только в отдельных простейших случаях при помощи искусственных приёмов удаётся из бесконечного их множества найти какой-то один интегрирующий множитель. Например, Лагранж вообще отрицал полезность метода интегрирующего множителя.
Прежде всего, построим уравнение для нахождения
интегрирующих множителей. Пусть является интегрирующим
множителем уравнения
, (4.1)
тогда:
;
и
.
Тогда из равенства смешанных частных производных следует: равенство
;
;
.
(4.20)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.