微分方程-初等变换法

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如果微分方程

中的函数 和 都是 和 的同次(例如 次)齐次函数,即:

则称方程为 齐次方程
对于齐次方程(1),标准的标量替换是

其中 为新的未知函数, 仍为自变量
易知

因此把变换带入(1)有

得到了一个变量分离的方程
(i)易知方程(1)为齐次方程的一个等价定义是,它可以转化为如下形式:

(ii) 容易看出, 是方程(3)的一个特解,但他未必是原方程(1)的解,出现这种情况的原因在于变换(2)的过程当 的时候是不可逆的.

讨论形如

的方程得求解法,这里设 为常数

此时为齐次方程,可用变换 求解.

② .
此时可选常数 和 ,使得

然后取自变量和未知函数的(平移)变换

则原方程就化为 与 的方程

这已经是齐次方程. 因此只需要令 即可把它转化成变量分离的方程.

③ .
此时有 . 因此,原方程化为

再令 为新的未知函数, 仍为自变量,则上述方程化为

他是一个变量分离的方程

形如

的方程称为伯努利方程,其中 为常数,而且 和 . 以 乘以方程两边,即得

令 ,就有

这是关于未知函数 的一阶线性方程.

假如一阶微分方程

的右端函数 是一个关于 的二次多项式,则称此方程为二次方程;他可以写成如下形式:

其中 在区间 上连续,而且 不恒为零.
方程(2.49)通常又叫做 Riccati 方程. 这是形式上最简单的非线性方程. 但是,一般而言,它已不能用初等积分法求解

设已知 Riccati 方程(2.49)的一个特解 则可用积分法求得它的通解.

证明:
对方程(2.49)作变换 ,其中 是新的位置函数. 带入方程 (2.49),得到
,
由于 是(2.49)的解,从上式消去相关项时,有

这是一个伯努利方程

设 Ricccati 方程

其中 都是常数. 又设 和 . 则当

时,方程(2.50)可通过恰当的变换化为变量分离的方程.

证明:
不妨设 (否则作自变量变换 即可). 因此代替方程(2.50),我们考虑方程

当 时,(2.52)是一个变量分离的方程

当 时,作变换 ,其中 是新未知函数. 然后代入方程(2.52)得到


这也是一个变量分离的方程

当 时,作变换

其中 和 分别为新的自变量和未知函数,则(2.52)变为

其中 . 再做变换

其中 和 是新的自变量和未知函数,则(2.53)变为

其中

方程(2.54)与(2.52)在形式上一样,只是右端自变量的指数从 变为 . 只要将上述变换的过程重复 次,就能把方程(2.52)化为 的情形.

当 时,为微分方程(2.50)就是(2.53)的类型,从而可化为(2.54)的形式,从而可以化为 的情形,至此定理证完.

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