21443

Дифференциальные уравнения с частными производными первого порядка

Лекция

Математика и математический анализ

Линейным неоднородным уравнением или квазилинейным уравнением I порядка в частных производных называется уравнение вида: . 2 Это уравнение линейно относительно производных но может быть нелинейным относительно неизвестной функции Z. Если а коэффициенты Xi не зависят от z то уравнение 2 называется линейным однородным.

Русский

2013-08-02

170 KB

14 чел.

Лекция 16

Дифференциальные уравнения с частными производными первого порядка

    Наиболее общее уравнение с частными производными I порядка с n независимыми переменными может быть записано в виде

                                             ,                                            (1)

где F – заданная функция,  - искомая функция,  - независимые переменные.

Пример 1.   

.

Интегрируя, имеем

z(x,y) = ,

где  - произвольная функция от y.

Пример 2.

.

Интегрируя по x, получим

,

где  - произвольная функция y. Интегрируем теперь по y:

,

где  - произвольная функция от . Окончательно имеем:

z(x,y) = ,

где

                                                   -

произвольная функция.

    Из приведенных примеров видно, что общее решение дифференциального уравнения с частными производными I порядка зависит от одной произвольной функции, общее решение уравнения II порядка – от двух произвольных функций.

    Линейным неоднородным уравнением или квазилинейным уравнением I порядка в частных производных называется уравнение вида:

                   .           (2)

Это уравнение линейно относительно производных, но может быть нелинейным  относительно неизвестной функции Z.

Если , а коэффициенты Xi не зависят от z, то уравнение (2) называется линейным однородным.

    Рассмотрим вначале квазилинейное уравнение с двумя независимыми переменными

                      P(x, y, z) + Q(x, y, z) = R(x, y, z),                                       (3)

где P, Q, R непрерывны в некоторой области изменения переменных и не обращаются в нуль одновременно.

Рассмотрим непрерывное векторное поле

.

Векторные линии этого поля (т.е. линии, касательные к которым в каждой точке имеют направление, совпадающее с направлением вектора  в той же точке) определяются из условия коллинеарности вектора , направленного по касательной к искомым линиям, и вектора поля :

                                 =  = .                                  (4)

Поверхности, составленные из векторных линий, точнее, поверхности целиком содержащие векторные линии, имеющие хотя бы одну общую точку с поверхностью, называются векторными поверхностями.

Очевидно, векторные поверхности можно получить, рассматривая множество точек, лежащих на произвольно выбранном непрерывно зависящем от параметра однопараметрическом семействе векторных линий. Векторная поверхность характеризуется тем, что вектор , направленный по нормали к поверхности в любой ее точке, ортогонален вектору поля :

                                                           () = 0.                                                (5)

Если векторная поверхность задана уравнением z = f(x,y), то вектор

(, а т.к.  направлен по касательной к , то )

и условие (5) принимает вид:

                  .                                          (3)

Если же векторная поверхность задана уравнением u(x,y,z) = 0 (неявно), т.е.

    ,

то условие (5) имеет следующий вид:

                                .                     (6)

Следовательно, для нахождения векторных поверхностей надо проинтегри-ровать квазилинейное уравнение (3) или линейное однородное уравнение (6) в зависимости от того, ищем ли мы уравнение искомых векторных поверхностей в явном или неявном виде.

    Т.к. векторные поверхности могут быть составлены из векторных линий, то интегрирование уравнений (3) или (6) сводится к интегрированию системы обыкновенных дифференциальных уравнений векторных линий (4).

Первые интегралы систем дифференциальных уравнений

Рассмотрим систему дифференциальных уравнений

                                                         .                                     (7)

Интегрируемой комбинацией называется дифференциальное уравнение, являющееся следствием системы (7), но уже легко интегрирующееся, например, являющееся уравнением вида

dФ(t,) = 0

или уравнением, которое может быть сведено путем замены переменных к какому-нибудь интегрируемому типу уравнений с одной неизвестной функцией.

Пример 3.

.

Складывая обе части равенств, найдем интегрируемую комбинацию

,

т.е.

,

откуда

.

Вычитая, найдем вторую интегрируемую комбинацию

,

откуда

.

Итак,

,   .

Следовательно,

x =  y = .

    Одна интегрируемая комбинация дает возможность получить одно соотношение

Ф1 (t,) = ,

связывающее неизвестные функции и независимую переменную; такое соотношение называется первым интегралом системы (7).

     Итак, первым интегралом

                                                                                           (8)

системы уравнений (7) называется соотношение, не равное тождественно постоянной, содержащее в левой части независимую переменную и искомые функции и принимающее постоянное значение, если вместо искомых функций подставить какое-нибудь решение системы (7).

     Геометрически первый интеграл (8) при фиксированном С можно интерпретировать как n-мерную поверхность в (n+1)-мерном пространстве с координатами , обладающую тем свойством, что каждая интегральная кривая, имеющая общую точку с этой поверхностью, целиком лежит на поверхности.

    При переменном С получаем семейство непересекающихся поверхностей, состоящих из точек некоторого (n-1)-параметрического семейства интегральных кривых системы (7).

    Если найдено k интегрируемых комбинаций, то получаем k первых интегралов

                                                                                    (9)

Если все эти интегралы независимы, то есть если хотя бы один из определителей

,

где  какие-нибудь k функций из ,  не равен нулю, то из системы (9) можно выразить k неизвестных функций через остальные и, подставив в систему (7), понизить ее размер. Если k=n и все интегралы независимы, то все неизвестные функции определяются из (9).

Пример 4.

где . Умножая I-е уравнение на p, II-е на q, III-е на r и складывая, получим

.

Следовательно, I-й интеграл имеет следующий вид

.

Умножая теперь I-е уравнение на Ap, II-е на Bq, III-е на Cr и складывая, имеем

.

Следовательно, второй I-й интеграл имеет следующий вид

.

За исключением случая А=В=С, при котором система интегрируется непосредственно, найденные первые интегралы независимы и, следовательно, можно исключить две неизвестные функции, а для нахождения третьей получим одно уравнение с разделяющимися переменными.

     Для нахождения интегрируемых комбинаций часто удобно переходить к так называемой симметричной форме записи системы уравнений (7)

,

где

(t,) = .

PAGE  5


EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44693. Механические характеристики исполнительных механизмов. Установившиеся режимы 122.64 KB
  Нормальная безаварийная работа двигателя возможна только тогда, когда его действительный режим работы не превышает условий номинального режима. Для работы в номинальном режиме электродвигатель построен заводом изготовителем.
44694. Передача механической энергии при подъёме и спуске груза 99.14 KB
  При подъёме груза двигатель развивает мощность, которая затрачивается на преодоление сопротивления статического момента механизма. Часть мощности двигателя передаётся рабочему органу механизма
44696. Депарафинизация масляного сырья кристаллизацией из растворов 22.09 KB
  В настоящее время в качестве растворителя применяют также высшие кетоны – метилизобутилкетон, метилизопропилкетон и др. Высшие кетоны не требуют добавления в растворитель толуола.
44700. Особенности Экспорта 418.5 KB
  Экспорт Схемы в Графический Файл и Текстовый файл Профессиональный уровень Изготовителя Образца позволяет Вам экспортировать вашу диаграмму образца в следующие типы графических изображений: BMP JPEG TIFF RGB CMYK и 8 битов полутоновый GIF PCX WMF EMF и EPS 8 битов полутоновых растровых только. Информация вашей схемы может экспортироваться в Формат RTF RTF файл. Это откроет Мастер Экспорта схемы который будет вести Вас через процесс экспорта.