З а м е ч а н и е 4. В 1694-97 гг. Иоган Бернулли разработал метод “разделения переменных”.
П р и м е р 4. Найти частное решение дифференциального
уравнения , если
.
Р е ш е н и е. умножив
на
, получим
- это
уравнение вида (2.10). Полагая
, получаем
;
или
или
- общее
решение. Используя начальные условия, получаем
,
откуда
. Искомое частное решение
.
г) Уравнение вида:
, (2.13)
где ,
,
-
заданные постоянные величины, сводится к уравнению с разделяющимися переменными
заменой:
.
(2.14)
Действительно, из (2.14) находим , откуда
и
уравнение (2.13) запишется
.
Полагая , получаем
,
.
Вычислив интегралы, получим общий интеграл . Учитывая замену, получаем
- общий интеграл.
П р и м е р 5. Найти общий интеграл уравнения .
Р е ш е н и е. Это уравнение вида (2.13). Полагая , находим
, откуда
. Подставляем в уравнение
- это уравнение с разделяющимися
переменными:
;
(
)
или
- общий интеграл.
Функция называется однородной
функцией своих аргументов измерения
, если справедливо
тождество
. (2.15)
Например, функция есть
однородная функция второго измерения, так как
.
При имеем функцию нулевого
измерения. Например,
есть однородная функция первого
измерения, так как:
.
Уравнения вида
, (2.16)
в которых правая часть (функция ) является однородной функцией нулевого
измерения называют однородным относительно
и
. Например, однородными являются уравнения
;
, так
как их правые части являются однородными функциями нулевого измерения.
Покажем, что однородные уравнения сводятся к уравнениям с разделяющимися переменными.
Пусть для уравнения (2.16) выполняется условие . Тогда, положив
,
получим равенство:
и таким образом делаем вывод, что в
однородных уравнениях (2.16) правая часть фактически является функцией от переменной
.
Вводим замену .
Тогда
и однородное уравнение (2.16) запишется
или
. Это
уравнение с разделяющимися переменными. Разделяя переменные, получаем
,
.
Интегрируя, получаем
. Учитывая замену
, получаем общий интеграл однородного
уравнения
. Если
, то уравнение
может иметь ещё решения (может, особые).
П р и м е р 1. Найти общий интеграл уравнения .
Р е ш е н и е. ,
функция
однородная нулевого измерения. Представим
уравнение в виде
. Замена
.
Представляем:
;
;
;
;
. Так как
, то
- общий интеграл. При делении на
потеряно решение
,
.
О т в е т: ,
.
З а м е ч а н и е 1. Уравнение вида
, (2.17)
в котором
функции и
являются
однородными функциями одного и того же измерения, тоже является однородным. Его
легко преобразовать к виду (2.16)
. Положив
, получаем
или
, где функция
является
однородной функцией нулевого измерения. В самом деле,
.
З а м е ч а н и е 2. В 1694 г. Иоган Бернулли разработал метод сведения однородных уравнений к уравнениям с разделяющимися переменными.
П р и м е р 2. Проинтегрировать уравнение:
Р е ш е н и е. ;
;
замена
. Подставляя в уравнение
;
;
;
;
;
; так
как
, то
;
- общий интеграл уравнения.
О т в е т: .
З а м е ч а н и е 3. При решении однородных уравнений
необязательно приводить их к виду . Можно сразу делать
подстановку
.
П р и м е р 3. Решить уравнение .
Р е ш е н и е. Это однородное уравнение, так как его
можно записать в виде , где правая часть –
однородная функция нулевого измерения. Тогда замена
.
Подставляя в уравнение выражение для
и
, получаем
.
Сокращая на
, получаем
.
Разделяем переменные
. Интегрируя, находим
;
или
или
;
;
.
При делении на произведение могли
потерять решение, обращающее в ноль это произведение. Проверим, не будут ли
решениями
и
, то
есть
. Находим, что функция
также является решением этого уравнения.
О т в е т: ,
.
Уравнения, которые при помощи определённой замены переменных приводятся к однородным, называют обобщённо-однородными.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.