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.