Лекция 14. Дифференциальные уравнения высших порядков
Дифференциальное уравнение n – ого порядка в общем виде записывается так: . Дифференциальное уравнение n – ого порядка в виде, разрешенном относительно старшей производной, выглядит так: . Решением дифференциального уравнения n – ого порядка называется функция , обращающая его в тождество. Общим решением дифференциального уравнения n – ого порядка называется функция такая, что 1. при любом наборе констант эта функция является решением, 2. для любого набора начальных условий из области существования решения найдется набор констант , при котором функция удовлетворяет заданным начальным условиям, т.е. . Заметим, что общее решение дифференциального уравнения n – ого порядка зависит ровно от n констант. Частным решением дифференциального уравнения n – ого порядка называется какое-либо из решений, входящих в общее решение (при конкретном выборе констант). Общим интегралом дифференциального уравнения n – ого порядка называется функция , сохраняющая свои значения на решениях дифференциального уравнения. Интегральной кривой называется график частного решения. Общее решение представляет собой совокупность интегральных кривых.
Обычно рассматривается одна из трех задач: 1. Найти общее решение дифференциального уравнения n – ого порядка, 2. Задача Коши – найти частное решение дифференциального уравнения n – ого порядка, удовлетворяющее заданным начальным условиям, 3. Краевая задача – найти частное решение, удовлетворяющее заданным начальным условиям, одна часть которых задана в точке , а другая часть в точке . Теорема Коши (существования и единственности решения задачи Коши для дифференциального уравнения n – ого порядка ). Пусть функция и ее частные производные по переменным определены и непрерывны в некоторой области . Тогда для любой внутренней точки существует единственное решение дифференциального уравнения, удовлетворяющее этим начальным условиям, т.е. (через любую внутреннюю точку проходит единственная интегральная кривая).
Пример. Рассмотрим дифференциальное уравнение второго порядка . Область существования и единственности решения заполнена непересекающимися интегральными кривыми. Через любую точку проходит единственная интегральная кривая. Однако через «точку» проходит бесконечно много интегральных кривых, все они различаются значениями . Заметим, что в «точка» представляет собой прямую .
Понижение порядка дифференциальных уравнений.
Мы умеем аналитически решать всего пять типов дифференциальных уравнений первого порядка: с разделяющимися переменными, однородные, линейные, Бернулли, в полных дифференциалах. Причем однородные, линейные и Бернулли тоже сводятся к уравнениям с разделяющимися переменными. Даже решить уравнение второго порядка, не говоря уж об уравнении n-го порядка – проблема. Поэтому стараются понизить порядок дифференциального уравнения, если это возможно, чтобы свести его к известным типам уравнений первого порядка. Если правая часть дифференциального уравнения n-го порядка зависит только от x, то интегрируя его n раз, можно получить решение. . Но это – очевидный случай. Рассмотрим менее очевидные случаи.
|