Лекция 5
Дифференциальное уравнение первого порядка, не разрешенное относительно производной, имеет вид
. (1)
Если это уравнение удается разрешить относительно , то получаем одно или несколько уравнений . Интегрируя эти, уже разрешенные относительно производной уравнения, найдем решения исходного уравнения (1).
Проинтегрируем, например, уравнение
. (2)
Разрешая это квадратное уравнение относительно , будем иметь: и . Интегрируя каждое из полученных уравнений, находим:
(3)
и
(4)
. Оба семейства решений удовлетворяют исходному уравнению.
Гладкими интегральными кривыми уравнения (2) будут также кривые, составленные из дуги интегральной кривой семейства (3) и дуги интегральной кривой семейства (4), если в общей точке они имеют общую касательную.
Еще пример. .
Представим данное уравнение в виде . Отсюда исходное уравнение эквивалентно совокупности двух уравнений: . Решение первого из них и , а второго — .
Итак, уравнение (1) может быть проинтегрировано путем разрешения относительно и интеграции полученных при этом уравнений , уже разрешенных относительно производной.
Однако далеко не всегда уравнение (1) легко разрешается относительно и еще реже полученные после разрешения относительно уравнения легко интегрируются, поэтому часто приходится интегрировать уравнения вида (1) иными методами. Рассмотрим следующие случаи.
1. Уравнение (1) имеет вид
, (5)
причем существует по крайней мере один действительный корень этого уравнения.
Так как уравнение (5) не содержит и , то — постоянное. Следовательно, интегрируя уравнение , получим , или , но является корнем уравнения (5), следовательно, является интегралом рассматриваемого уравнения.
Пример 1. .
Интеграл этого уравнения — .
2. Не всегда уравнение (1) разрешается относительно производной и еще реже полученные после разрешения относительно производой уравнения легко интегрируются. Поэтому уравнения вида (1) часто приходится решать методом введения параметра.
а) Пусть уравнение можно разрешить относительно , т.е. записать в виде . Введя параметр , получим . Взяв полный дифференциал от обеих частей последнего равенства и заменив на основании введения параметра на , получим уравнение
,
т.е. уравнение вида . Если найдем решения этого уравнения в виде , то, воспользовавшись , получим решения исходного уравнения в параметрической форме:
б) Пусть уравнение можно разрешить относительно , т.е. записать в виде . Введя параметр , получим . Взяв полный дифференциал от обеих частей последнего равенства и заменив, в силу введения параметра, на , получим уравнение
,
т.е. уравнение вида . Если найдем решения этого уравнения в виде , то воспользовавшись , получим решения исходного уравнения в параметрической форме:
Пример. .
Это уравнение разрешаем относительно . Введем параметр . Из равенств и получим . Последнее уравнение имеет очевидные решения и . Остальные его решения найдем, записав уравнение в виде
.
Это уравнение является линейным. Решая его, находим . Таким образом, решения исходного уравнения имеют вид .
3. Уравнение (1) имеет вид
. (6)
Если это уравнение трудно разрешить относительно , то целесообразно ввести параметр и заменить уравнение (6) двумя уравнениями: и . Так как , то в данном случае , откуда и, следовательно, интегральные кривые уравнения (6) определяются в параметрической форме следующими уравнениями:
Если уравнение (6) легко разрешимо относительно , то почти всегда удобно в качестве параметра ввести . Тогда
.
Пример 2. .
Положим , тогда
, (7)
,
. (8)
Уравнения (7) и (8) определяют в параметрической форме семейство искомых интегральных кривых.
Пример 3. .
Полагаем ; тогда
, (9)
,
(10)
или, исключая из уравнений (9) и (10), получим — семейство окружностей.
4. Уравнение (1) имеет вид
. (11)
Если это уравнение трудно разрешить относительно , то, как и в предыдущем случае, целесообразно ввести параметр и заменить уравнение (11) двумя уравнениями: и . Так как , то , откуда . Следовательно, искомые интегральные кривые в параметрической форме определяются уравнениями и .
В частности, если уравнение (11) легко разрешимо относительно , то обычно за параметр удобно взять .
Действительно, если , то, полагая , получим .
Пример 4. .
Полагаем ; тогда
, (12)
,
. (13)
Уравнения (12) и (13) являются параметрическими уравнениями семейства интегральных кривых.
Пример 5. .
Полагаем , тогда
, (14)
,
(15)
или, исключая из (14) и (15) параметр , получаем .
Рассмотрим теперь общий случай: левая часть уравнения (1) зависит от всех трех аргументов . Заменим уравнение (1) его параметрическим представлением:
.
Пользуясь зависимостью , будем иметь
,
откуда, разрешая относительно производной , получим
. (16)
В результате получено уравнение первого порядка, уже разрешенное относительно производной, и тем самым задача сведена к уже рассмотренной ранее. Однако, конечно, уравнение (16) далеко не всегда будет интегрироваться в квадратурах.
Если уравнение (1) легко разрешимо относительно , то за параметры и часто удобно брать и . Действительно, если уравнение (1) приводится к виду
, (17)
то, считая и параметрами, получим , или
,
. (18)
Интегрируя уравнение (18) (опять же, конечно, оно далеко не всегда интегрируется в квадратурах), получим . Совокупность уравнений и , где — параметр, определяет семейство интегральных кривых.
Заметим, что уравнение (18) может быть получено дифференцированием уравнения (17) по . Действительно, дифференцируя (17) по и полагая , получим , что совпадает с (18). Поэтому этот метод часто называют интегрированием дифференциальных уравнений с помощью дифференцирования.
Совершенно аналогично часто интегрируется уравнение (1), если оно легко разрешимо относительно :
. (19)
В этом случае, взяв за параметры и и пользуясь зависимостью , получим или
. (20)
Интегрируя уравнение (20), получим . Это уравнение совместно с определяет интегральные кривые исходного уравнения. Уравнение (20) может быть получено из уравнения (19) дифференцированием по .
В качестве примера применения этого метода рассмотрим линейное относительно и уравнение
,
называемое уравнением Лагранжа. Дифференцируя по и полагая , получим
, (21)
или
. (22)
Это уравнение линейно относительно и и, следовательно, легко интегрируется, например, методом вариации произвольной постоянной. Получив интеграл уравнения (22) и присоединяя к нему , получим уравнения, определяющие искомые интегральные кривые.
При переходе от уравнения (21) к уравнению (22) пришлось делить на . Но при этом мы потеряем решения, если они существуют, для которых постоянно, а значит . Считая постоянным, замечаем, что уравнение (21) удовлетворяется лишь в том случае, если является корнем уравнения .
Итак, если уравнение имеет действительные корни , то к найденным выше решениям уравнения Лагранжа надо еще добавить , или, исключая , — прямые линии.
Отдельно надо рассмотреть случай, когда , и следовательно, при делении на теряется решение , где — произвольная постоянная. В этом случае и уравнение принимает вид — уравнение Клеро. Полагая , получим . Дифференцируя по , будем иметь: , или , откуда или , и, значит, , или .
В первом случае, исключая , получим
(23)
— однопараметрическое семейство интегральных прямых. Во втором случае решение определяется уравнениями
и . (24)
Нетрудно проверить, что интегральная кривая, определяемая уравнениями (24), является огибающей семейства интегральных прямых (23).
Действительно, огибающая некоторого семейства определяется уравнениями
и , (25)
которые для семейства имеют вид и лишь обозначением параметра отличаются от уравнений (24).
Как известно, уравнения (25) могут определять, кроме огибающей, геометрические места кратных точек, а иногда и другие кривые, однако если хотя бы одна из производных и отлична от нуля и обе ограничены в точках, удовлетворяющих уравнениям (25), то эти уравнения определяют только огибающую. В данном случае эти условия выполнены: . Следовательно, уравнения (25) определяют огибающую, которая может выродиться в точку, если семейство (23) является пучком прямых.
Пример 6. — уравнение Клеро.
Однопараметрическое семейство интегральных прямых имеет вид . Кроме того, интегрально кривой является огибающая этого семейства, определяемая уравнениями и . Исключая , получаем .
Пример 7. — уравнение Лагранжа.
,
. (26)
Дифференцируя, получаем
(27)
и после деления на приходим к уравнению . Интегрируя это линейное уравнение, получаем . Следовательно, интегральные кривые определяются уравнениями , .
При делении на , как мы уже рассматривали, теряются решения , где — корни уравнения . В данном случае теряется решение уравнения (27), которому, в силу уравнения (26), соответствует решение исходного уравнения .