N-го порядка

ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Лекция 7

Будем по-прежнему обозначать независимую переменную через , а искомую функцию через . Дифференциальное уравнение -го порядка () имеет вид

, (1)

где есть непрерывная функция всех своих аргументов, при этом левая часть, во всяком случае, зависит от старшей производной . Вблизи начальных значений , удовлетворяющих условиям

,

мы можем, по теореме о существовании неявной функции, разрешить уравнение (1) относительно и представить его в виде

. (1.1)

Можно доказать существование и единственность (при некоторых условиях) решения уравнения (1.1), определяемого начальными условиями: при имеем

, (2)

где — заданные числа. Эта задача также, как и в случае уравнений первого порядка, называется задачей Коши, или задачей с начальными значениями.

Теорема существования и единственности решения. Существует единственное решение дифференциального уравнения -го порядка , удовлетворяющее условиям , если в окрестности начальных значений функция является непрерывной функцией всех своих аргументов и удовлетворяет условию Липшица по всем аргументам, начиная со второго.

Последнее условие может быть заменено более грубым условием существования в той же окрестности ограниченных частных производных первого порядка от функции по всем аргументам, начиная со второго.

Общим решением дифференциального уравнения -го порядка называется множество решений, состоящее из всех без исключения частных решений. Общее решение уравнения (1.1) имеет вид

. (3)

Замечая, что начальные значения являются параметрами, т.е. произвольными постоянными, приходим к следующему выводу: общее решение дифференциального уравнения -го порядка содержит произвольных постоянных и имеет вид

. (3.1)

Если соотношение, связывающее и произвольных постоянных, дано в виде, не разрешенном относительно :

, (4)

то мы будем называть такое соотношение общим интегралом уравнения (1) или (1.1).

Покажем, как решить задачу Коши, если известно общее решение (3.1). Из соотношения (3.1) и тех, которые получаются из него дифференцированием по , подставляя в них вместо начальное значение , а вместо их начальные значения, получим равенства

(5)

рассматривая равенства (5) как уравнений с неизвестными, , мы получим, вообще говоря, числовые значения , соответствующие тому частному решению, которое отвечает данным начальным условиям (2). Точно так же, если дан общий интеграл (4), то, подставляя в него вместо решение (3.1) уравнения (1), полученное разрешением уравнения (4) относительно , мы получим тождество; дифференцируем его по , помня, что является функцией , и подставляем в полученные равенства начальные значения (2). Получаем

(5.1)

Символ указывает, что в данном выражении вместо и следует подставить и . Мы опять получаем уравнений для определения неизвестных, , т.е. мы и в этом случае можем, вообще говоря, решить задачу Коши.

Теперь установим некоторые случаи, когда уравнение (1) или (1.1) может быть проинтегрировано до конца в квадратурах или, по крайней мере, когда задача его интегрирования может быть сведена к интегрированию дифференциального уравнения порядка меньшего, чем .