Составим характеристическую
систему для этого уравнения: . Пусть
– функционально независимые первые
интегралы этой системы. Тогда
– общее решение
уравнения.
Пусть – решение уравнения
и пусть уравнение
определяет
некоторую функцию
в
(пространстве
x), причём
. Тогда
– решение первого уравнения.
Приведённая теорема устанавливает
связь между решениями уравнений и
. Решения первого уравнения могут
использоваться для неявного задания решений уравнения второго уравнения. Если
– решение первого уравнения, то конечное
уравнение
определяет решение второго уравнения.
Множество решений первого уравнения представляется функцией
, следовательно, множество решений второго
уравнения можно описать решениями уравнения
, где F – произвольная функция. Следует иметь в виду, что
функция F должна обеспечить возможность
разрешения такого уравнения (см. теорему о неявной функции). На даже в этом
случае мы не можем утверждать, что таким образом описываются все решения
уравнения
. Это уравнение может иметь т.н.
специальные решения, не допускающие такого представления.
Характеристическая
система, записанная для вспомогательного уравнения называется
характеристической системой исходного уравнения. Через каждую точку в
области проходит единственная характеристика уравнения
.
В отличие от предыдущего параграфа, характеристики здесь являются линиями в
пространстве переменных
. Можно показать, что
если через какую-либо точку интегральной поверхности проходит характеристика,
то вся эта характеристика лежит на интегральной поверхности. Интегральная
поверхность как бы «соткана» из характеристик.
§6.4. Решение задачи Коши для квазилинейных уравнений
Рассмотрим уравнение , предполагая, что
и
определены в области
, непрерывны и непрерывно дифференцируемы в
D и
в D.
Можно осуществить выбор решения этого уравнения, подчинив его каким-либо
дополнительным условиям. В простейшем случае такими условиями могут быть
условия Коши. Рассмотрим постановку задачи Коши. Пусть в пространстве x задана гиперповерхность S:
и пусть в точке этой гиперповерхности
определена функция
. Дополним уравнение условием:
. Имеем задачу Коши. Решить её значит найти
решение уравнения
, которое в точке
гиперповерхности S совпадает с заданной функцией
. Нас интересует интегральная поверхность
этого уравнения, содержащая гиперповерхность S
относительно функции
.
Заметим, что в общем случае
задача Коши может оказаться разрешимой однозначно, разрешимой, но не однозначно,
или неразрешимой. Всё зависит от выбора гиперповерхности S
и начальной функции . Следует иметь в виду, что при
сколь угодно гладкой функции
решение может и не
существовать.
Простейшим методом решения задачи Коши является использование общего решения уравнения с последующим удовлетворением начальных условий (если его удаётся построить).
Дополнение: решение уравнений с помощью рядов.
Рассмотрим уравнение в окрестности точки
.
Пусть
коэффициенты и
аналитичны
в окрестности точки
, причём
.
Тогда решения уравнения
аналитичны в окрестности точки
и могут
быть построены в виде ряда
.
Аналитичность означает сходимость
ряда Тейлора в окрестности точки . Для нахождения
коэффициентов разложения решения этого уравнения степенной ряд формально
подставляется в уравнение и собираются коэффициенты при одинаковых степенях.
Получается некоторое рекуррентное соотношение, из которого можно найти
коэффициенты.
Пусть
коэффициенты уравнения аналитичны в окрестности точки
, причём
, где
имеет
в точке
нуль порядка
(если
),
имеет в
точке
нуль порядка
(если
). Тогда это уравнение имеет по крайней
мере одно решение, представляемое обобщённым степенным рядом
, где s – любая
постоянная.
Рассмотрим для примера уравнение
Бесселя n-го порядка: . Здесь
. Можно
искать решение в виде обобщённого ряда
,
следовательно, решения такого вида существуют при
–
функция Бесселя n-го порядка.
Аналогично
. При дробных n функции
и
линейно независимы, следовательно, они
образуют ФСР:
. При целых
, следовательно, они линейно зависимы.
В качестве второго линейного
независимого решения выбираем функцию Неймана .
Определим её при дробных
– дробное. Функции
и
линейно
независимы при
, как целых, так и дробных,
следовательно, они образуют ФСР и общее решение:
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.