Files

154 lines
6.3 KiB
Markdown
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

>ДУ в полных дифференциалах. Необходимое и достаточное условие уравнения в полных дифференциалах. Восстановление функции по ее полному дифференциалу.
1. Дифференциальные уравнения в полных дифференциалах
Дифференциальное уравнение 1-го порядка вида
$$
M(x, y) dx + N(x, y) dy = 0 \tag{1}
$$
называется дифференциальным уравнением в полных дифференциалах, если существует функция $u(x, y)$, такая что
$$
du = M(x, y) dx + N(x, y) dy \tag{2}
$$
Функция $u(x, y)$ в этом случае называется первообразной дифференциального уравнения (1).
2. Необходимое и достаточное условие уравнения в полных дифференциалах
Теорема. Для того, чтобы дифференциальное уравнение (1) было уравнением в полных дифференциалах, необходимо и достаточно, чтобы выполнялось следующее условие:
$$
\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial N}{\partial x} \tag{3}
$$
Это условие называется условием интегрируемости дифференциального уравнения (1).
3. Восстановление функции по ее полному дифференциалу
Если дифференциальное уравнение (1) является уравнением в полных дифференциалах, то его можно решить, восстановив функцию $u(x, y)$ по ее полному дифференциалу (2). Для этого необходимо:
- Вычислить частные производные $\frac{\partial u}{\partial x}$ и $\frac{\partial u}{\partial y}$ из уравнения (2):
$$
\frac{\partial u}{\partial x} = M(x, y), \quad \frac{\partial u}{\partial y} = N(x, y)
$$
- Интегрировать одну из этих частных производных по соответствующей переменной, считая другую переменную постоянной. Например, интегрируем $\frac{\partial u}{\partial x}$ по $x$:
$$
u(x, y) = \int M(x, y) dx + \varphi(y)
$$
Здесь $\varphi(y)$ - произвольная функция от $y$, которая появляется при интегрировании по $x$.
- Найти производную $u(x, y)$ по другой переменной ($\frac{\partial u}{\partial y}$) и сравнить ее с $N(x, y)$:
$$
\frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} \left( \int M(x, y) dx \right) + \varphi'(y) = N(x, y)
$$
- Из последнего равенства определить функцию $\varphi(y)$ и подставить ее в выражение для $u(x, y)$.
4. Примеры решения ДУ в полных дифференциалах
Рассмотрим несколько примеров решения дифференциальных уравнений в полных дифференциалах.
Пример 1. Решить уравнение:
$$
(2xy + y^2) dx + (x^2 + 2xy) dy = 0 \tag{4}
$$
Решение. Проверим условие интегрируемости (3):
$$
\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} (2xy + y^2) = 2x + 2y, \quad \frac{\partial N}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x} (x^2 + 2xy) = 2x + 2y
$$
Условие интегрируемости выполняется, значит, уравнение (4) является уравнением в полных дифференциалах. Восстановим функцию $u(x, y)$ по ее полному дифференциалу:
$$
du = (2xy + y^2) dx + (x^2 + 2xy) dy
$$
Найдем частные производные $\frac{\partial u}{\partial x}$ и $\frac{\partial u}{\partial y}$:
$$
\frac{\partial u}{\partial x} = 2xy + y^2, \quad \frac{\partial u}{\partial y} = x^2 + 2xy
$$
Интегрируем $\frac{\partial u}{\partial x}$ по $x$:
$$
u(x, y) = \int (2xy + y^2) dx = x^2y + xy^2 + \varphi(y)
$$
Найдем $\frac{\partial u}{\partial y}$ и сравним его с $N(x, y)$:
$$
\frac{\partial u}{\partial y} = x^2 + 2xy + \varphi'(y) = x^2 + 2xy
$$
Отсюда находим $\varphi'(y) = 0$ и $\varphi(y) = C$, где $C$ - произвольная постоянная. Получаем функцию $u(x, y)$:
$$
u(x, y) = x^2y + xy^2 + C
$$
Общее решение уравнения (4):
$$
x^2y + xy^2 = C \tag{5}
$$
Пример 2. Решить уравнение:
$$
(ye^{xy} + 2x) dx + (xe^{xy} - 1) dy = 0 \tag{6}
$$
Решение. Проверим условие интегрируемости (3):
$$
\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} (ye^{xy} + 2x) = e^{xy} + xye^{xy}, \quad \frac{\partial N}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x} (xe^{xy} - 1) = e^{xy} + xye^{xy}
$$
Условие интегрируемости выполняется, значит, уравнение (6) является уравнением в полных дифференциалах. Восстановим функцию $u(x, y)$ по ее полному дифференциалу:
$$
du = (ye^{xy} + 2x) dx + (xe^{xy} - 1) dy
$$
Найдем частные производные $\frac{\partial u}{\partial x}$ и $\frac{\partial u}{\partial y}$:
$$
\frac{\partial u}{\partial x} = ye^{xy} + 2x, \quad \frac{\partial u}{\partial y} = xe^{xy} - 1
$$
Интегрируем $\frac{\partial u}{\partial x}$ по $x$:
$$
u(x, y) = \int (ye^{xy} + 2x) dx = e^{xy} + x^2 + \varphi(y)
$$
Найдем $\frac{\partial u}{\partial y}$ и сравним его с $N(x, y)$:
$$
\frac{\partial u}{\partial y} = xe^{xy} + \varphi'(y) = xe^{xy} - 1
$$
Отсюда находим $\varphi'(y) = -1$ и $\varphi(y) = -y + C$, где $C$ - произвольная постоянная. Получаем функцию $u(x, y)$:
$$
u(x, y) = e^{xy} + x^2 - y + C
$$
Общее решение уравнения (6):
$$
e^{xy} + x^2 - y = C \tag{7}
$$