Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Примеры по дифференциальным уравнениям в частных производных

Видео:Метод Лагранжа. Приведение квадратичной формы к каноническому и нормальному видамСкачать

Метод Лагранжа. Приведение квадратичной формы к каноническому и нормальному видам

Немного теории

Дифференциальным уравнением с частными производными (ДУ с ЧП) называется уравнение относительно неизвестной функции нескольких переменных (ФНП) и ее частных производных. Наивысший порядок частных производных (существенно входящих в уравнение) называется порядком этого уравнения.

ДУ с ЧП называется линейным (ЛДУ с ЧП), если неизвестная функция и ее производные входят в это ДУ линейно (в первой степени).

В этом разделе вы найдете подробно решенные задачи по темам: классификация и приведение к каноническому виду ДУ с ЧП второго порядка с двумя переменными, определение типа уравнения, решение уравнений и систем ДУ в ЧП.

ДУ с ЧП находят широкое применение в прикладных науках: квантовая механика, электродинамика, термодинамика, теория теплои массопереноса и др. при математическом описании и моделировании различных физических процессов. Поэтому такие уравнения изучаются под общим названием уравнений математической физики (примеры решений 16 задач).

Видео:Приведение линейного уравнения в частных производных c постоянными коэфф--ми к каноническому виду.Скачать

Приведение линейного уравнения в частных производных c постоянными коэфф--ми к каноническому виду.

Приведение к каноническому виду

Задача 1. Привести к каноническому виду уравнение

Задача 2. Привести уравнение к каноническому виду.

Задача 3. Найти общее решение уравнения, приведя его к каноническому виду:

Видео:Приведение ДУ 2 порядка в частных производных к каноническому видуСкачать

Приведение ДУ 2 порядка в частных производных к каноническому виду

Решение ДУ в ЧП

Задача 4. Решить уравнение Пфаффа

$$ z^2 dx +zdy +(3zx +2y)dz=0. $$

Задача 5. Решить задачу Коши для уравнения в частных производных

$$ u_-2Delta u =(x^2+y^2+z^2)t; quad u(t=0)=xyz, u_t(t=0)=x-y. $$

Задача 6. Найти общее решение уравнения в частных производных

Задача 7. Найти общее решение уравнения в частных производных первого порядка.

$$ xy u_x +(x-2u)u_y = yu. $$

Задача 8. Найти решение задачи Коши для уравнения в частных производных

$$ y u_x -xy u_y=2xu, quad u(x+y=2)=1/y. $$

Задача 9. Решить систему дифференциальных уравнений в частных производных

Видео:Математика без Ху!ни. Кривые второго порядка. Эллипс.Скачать

Математика без Ху!ни. Кривые второго порядка. Эллипс.

Разные задачи на исследование ДУ в ЧП

Задача 10. Найти поверхность, удовлетворяющую данному уравнению и проходящую через данную линию

Задача 11. Найти области гиперболичности, эллиптичности и параболичности уравнения и исследовать их зависимость от $l$, где $l$ – числовой параметр.

Задача 12. Найти функцию, гармоническую внутри круга радиуса $R$ c центром в начале координат и такую, что

Видео:Семинар №9 "Приведение уравнения второго порядка к каноническому виду"Скачать

Семинар №9 "Приведение уравнения второго порядка к каноническому виду"

Помощь с решением ДУ в ЧП

Если вам нужна помощь с решением задач и контрольных по дифференциальным уравнениям (и другим разделам математического анализа), обращайтесь в МатБюро. Стоимость подробной консультации от 100 рублей , оформление производится в Word, срок от 1 дня.

Видео:Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами

Приведение к каноническому виду линейных уравнений с частными производными второго порядка

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Федеральное агентство по образованию

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт математики, экономики и информатики

Кафедра дифференциальных и интегральных уравнений

ПРИВЕДЕНИЕ К КАНОНИЧЕСКОМУ ВИДУ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ ВТОРОГО ПОРЯДКА

Приведение к каноническому виду линейных уравнений с частными производными 2-го порядка с двумя независимыми переменными …………………………………………………………………………

1.1. Необходимый теоретический материал………………………..

1.2. Пример выполнения задачи1 (приведение к

каноническому виду уравнений гиперболического типа) .

1.3. Пример выполнения задачи 2 (приведение к

каноническому виду уравнений параболического типа)

1.4. Пример выполнения задачи 3 (приведение к

каноническому виду уравнений эллиптического типа) ..

1.5. Задачи для самостоятельного решения ………………….….

Упрощение группы младших производных

для уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами

2.1. Необходимый теоретический материал …………………..

2.2. Пример выполнения задачи 4

2.3. Задачи для самостоятельного решения ……………………..

В настоящих методических указаниях изложен теоретический материал и на конкретных примерах разобрано приведение к каноническому виду линейных уравнений с частными производными второго порядка с двумя независимыми переменными для уравнений гиперболического, эллиптического и параболического типов.

Методические указания предназначены для студентов математических специальностей очной и заочной формы обучения.

§1. Приведение к каноническому виду линейных уравнений с частными производными 2-го порядка с двумя независимыми переменными.

Задача. Определить тип уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения(1)

и привести его к каноническому виду.

1.1. Необходимый теоретический материал.

I. Тип уравнения (1) определяется знаком выражения Канонический вид линейного дифференциального уравнения:

· если Канонический вид линейного дифференциального уравненияв некоторой точке, то уравнение (1) называется уравнением гиперболического типа в этой точке;

· если Канонический вид линейного дифференциального уравненияв некоторой точке, то уравнение (1) называется уравнением эллиптического типа в этой точке;

· если Канонический вид линейного дифференциального уравненияв некоторой точке, то уравнение (1) называется уравнением параболического типа в этой точке.

Уравнение (1) будет являться уравнением гиперболического, эллиптического, параболического типа в области D, если оно гиперболично, эллиптично, параболично в каждой точке этой области.

Уравнение (1) может менять свой тип при переходе из одной точки (области) в другую. Например, уравнение Канонический вид линейного дифференциального уравненияявляется уравнением эллиптического типа в точках Канонический вид линейного дифференциального уравнения; параболического типа в точках Канонический вид линейного дифференциального уравнения; и гиперболического типа в точках Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

II. Чтобы привести уравнение к канонического виду, необходимо:

1. Определить коэффициенты Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

2. Вычислить выражение Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

3. Сделать вывод о типе уравнения (1) (в зависимости от знака выражения Канонический вид линейного дифференциального уравнения);

4. Записать уравнение характеристик:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения; (2)

5. Решить уравнение (2). Для этого:

а) разрешить уравнение (2) как квадратное уравнение относительно dy:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения; (3)

б) найти общие интегралы уравнений (3) (характеристики уравнения (1)):

· Канонический вид линейного дифференциального уравнения(4)

в случае уравнения гиперболического типа;

· Канонический вид линейного дифференциального уравнения, (5)

в случае уравнения параболического типа;

· Канонический вид линейного дифференциального уравнения, (6)

в случае уравнения эллиптического типа.

6. Ввести новые (характеристические) переменные Канонический вид линейного дифференциального уравненияи Канонический вид линейного дифференциального уравнения:

· в случае уравнения гиперболического типа в качестве Канонический вид линейного дифференциального уравненияи Канонический вид линейного дифференциального уравненияберут общие интегралы (4) уравнений (3), т. е.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

· в случае уравнения параболического типа в качестве Канонический вид линейного дифференциального уравненияберут общий интеграл (5) уравнения (3), т. е. Канонический вид линейного дифференциального уравнения, в качестве Канонический вид линейного дифференциального уравненияберут произвольную, дважды дифференцируемую функцию Канонический вид линейного дифференциального уравнения, не выражающуюся через Канонический вид линейного дифференциального уравнения, т. е. Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

· в случае уравнения эллиптического типа в качестве Канонический вид линейного дифференциального уравненияи Канонический вид линейного дифференциального уравненияберут вещественную и мнимую часть любого из общих интегралов (6) уравнений (3):

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

7. Пересчитать все производные, входящие в уравнение (1), используя правило дифференцирования сложной функции:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения,

Канонический вид линейного дифференциального уравнения,

Канонический вид линейного дифференциального уравнения, (7)

Канонический вид линейного дифференциального уравнения,

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

8. Подставить найденные производные в исходное уравнение (1) и привести подобные слагаемые. В результате уравнение (1) примет один из следующих видов:

· в случае уравнения гиперболического типа:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

· в случае уравнения параболического типа:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

· в случае уравнения эллиптического типа:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

1.2. Пример выполнения задачи 1.

Определить тип уравнения

и привести его к каноническому виду.

1. Определим коэффициенты Канонический вид линейного дифференциального уравнения:

2. Вычислим выражение Канонический вид линейного дифференциального уравнения:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

3. Канонический вид линейного дифференциального уравненияуравнение гиперболического типа во всей плоскости XOY.

4. Запишем уравнение характеристик:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения. (9)

5. Решим уравнение (9). Для этого:

а) разрешаем уравнение (9) как квадратное уравнение относительно dy: Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения(10)

б) найдём общие интегралы уравнений (10) (характеристики уравнения (9)):

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

6. Введём характеристические переменные:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

7. Пересчитаем производные, входящие в исходное уравнение.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Используя формулы (7), получим:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Здесь слева написаны коэффициенты уравнения (8) при соответствующих производных.

8. Собирая подобные слагаемые, получим:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Или после деления на -100 (коэффициент при Канонический вид линейного дифференциального уравнения):

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Ответ. Уравнение (8) является уравнением гиперболического типа на всей плоскости XOY. Канонический вид

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

где Канонический вид линейного дифференциального уравнения

1.3. Пример выполнения задачи 2.

Определить тип уравнения

и привести его к каноническому виду.

1. Определим коэффициенты Канонический вид линейного дифференциального уравнения. В нашем примере они постоянны:

2. Вычислим выражение Канонический вид линейного дифференциального уравнения:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

3. Канонический вид линейного дифференциального уравненияуравнение параболического типа во всей плоскости XOY.

4. Запишем уравнение характеристик:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения. (12)

5. Решим уравнение (12). Для этого:

а) разрешаем уравнение (9) как квадратное уравнение относительно dy. Однако в этом случае левая часть уравнения является полным квадратом:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

Канонический вид линейного дифференциального уравнения(13)

б) имеем только одно уравнение характеристик (13). Найдём его общий интеграл (уравнения параболического типа имеют только одно семейство вещественных характеристик):

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

6. Введём характеристические переменные: одну из переменных Канонический вид линейного дифференциального уравнениявводим как и ранее

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

а в качестве Канонический вид линейного дифференциального уравненияберут произвольную, дважды дифференцируемую функцию, не выражающуюся через Канонический вид линейного дифференциального уравнения, пусть

Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

7. Пересчитаем производные, входящие в исходное уравнение.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Используя формулы (7), получим:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Здесь слева написаны коэффициенты уравнения (11) при соответствующих производных.

8. Собирая подобные слагаемые, получим:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Функцию, стоящую в правой части уравнения (11) необходимо также выразить через характеристические переменные.

После деления на 25 (коэффициент при Канонический вид линейного дифференциального уравнения):

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Ответ. Уравнение (11) является уравнением параболического типа на всей плоскости XOY. Канонический вид

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

где Канонический вид линейного дифференциального уравнения

1.4. Пример выполнения задачи 3.

Определить тип уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения(14)

и привести его к каноническому виду.

1. Определим коэффициенты Канонический вид линейного дифференциального уравнения:

2. Вычислим выражение Канонический вид линейного дифференциального уравнения:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

3. Канонический вид линейного дифференциального уравненияуравнение эллиптического типа во всей плоскости XOY.

4. Запишем уравнение характеристик:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения. (15)

5. Решим уравнение (15). Для этого:

а) разрешаем уравнение (15) как квадратное уравнение относительно dy: Канонический вид линейного дифференциального уравнения; (16)

б) уравнения (16) – это пара комплексно-сопряженных уравнений. Они имеют пару комплексно-сопряженных общих интегралов. (Уравнения эллиптического типа не имеют вещественных характеристик)

Канонический вид линейного дифференциального уравнения(17)

6. Введём характеристические переменные как вещественную и мнимую части одного из общих интегралов (17):

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

7. Пересчитаем производные, входящие в исходное уравнение.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Используя формулы (7), получим:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Здесь слева написаны коэффициенты уравнения (14) при соответствующих производных.

8. Собирая подобные слагаемые, получим:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Или после деления на 4 (коэффициент при Канонический вид линейного дифференциального уравненияи Канонический вид линейного дифференциального уравнения):

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Ответ. Уравнение (14) является уравнением эллиптического типа на всей плоскости XOY. Канонический вид

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

где Канонический вид линейного дифференциального уравнения

1.5. Задачи для самостоятельного решения.

Определить тип уравнения и привести его к каноническому виду.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Определить тип уравнения и привести его к каноническому виду.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Определить тип уравнения и привести его к каноническому виду.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

§2. Упрощение группы младших производных

для уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами

2. 1. Необходимый теоретический материал

В самом общем виде линейное уравнение с частными производными второго порядка с двумя независимыми переменными имеет вид

Канонический вид линейного дифференциального уравнения(1)

Преобразованием независимых переменных группа старших производных уравнения может быть упрощена. Уравнение (1) приводится к одному из следующих видов

· в случае уравнения гиперболического типа:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения; (11)

· в случае уравнения параболического типа:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения; (12)

· в случае уравнения эллиптического типа:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения. (13)

Если коэффициенты исходного уравнения постоянны, то для дальнейшего упрощения уравнения любого типа нужно сделать замену неизвестной функции

Канонический вид линейного дифференциального уравнения, (14)

где Канонический вид линейного дифференциального уравнения- новая неизвестная функция, Канонический вид линейного дифференциального уравнения- параметры, подлежащие определению. Такая замена не «испортит» канонического вида, но при этом позволит подобрать параметры Канонический вид линейного дифференциального уравнениятак, чтобы из трех слагаемых группы младших производных в уравнении осталось только одно. Уравнения гиперболического, параболического и эллиптического типов соответственно примут вид

Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Чтобы реализовать замену (14) в уравнениях (11), (12), (13), необходимо пересчитать все производные, входящие в эти уравнения по формулам

Канонический вид линейного дифференциального уравнения(15)

Подробно рассмотрим этот процесс на примере уравнения гиперболического типа, т. е. уравнения (11). Пересчитаем производные, входящие в это уравнение, используя формулы (15).

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Здесь слева расставлены соответствующие коэффициенты уравнения (11). Собирая подобные слагаемые, получим

Канонический вид линейного дифференциального уравнения. (16)

В уравнении (16) приравняем к нулю коэффициенты при Канонический вид линейного дифференциального уравненияи Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Откуда Канонический вид линейного дифференциального уравненияПодставив эти значения параметров в уравнение (16) и разделив его на Канонический вид линейного дифференциального уравнения, придем к уравнению

Канонический вид линейного дифференциального уравнения,

где Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

2.2. Пример выполнения задачи 4

к каноническому виду и упростить группу младших производных.

9. Определим коэффициенты Канонический вид линейного дифференциального уравнения:

10. Вычислим выражение Канонический вид линейного дифференциального уравнения:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

11. Канонический вид линейного дифференциального уравненияуравнение эллиптического типа во всей плоскости XOY.

12. Запишем уравнение характеристик:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения. (18)

5. Решим уравнение (18). Для этого:

а) разрешаем уравнение (18) как квадратное уравнение относительно dy: Канонический вид линейного дифференциального уравнения;

Канонический вид линейного дифференциального уравнения; (19)

б) найдём общие интегралы уравнений (19) (характеристики уравнения (17)):

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

6. Введём характеристические переменные:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

13. Пересчитаем производные, входящие в исходное уравнение.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Используя формулы (7), получим:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Здесь слева написаны коэффициенты уравнения (17) при соответствующих производных.

14. Собирая подобные слагаемые, получим:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения(20)

Теперь с помощью замены неизвестной функции (14)

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

упростим группу младших производных.

Пересчитаем производные, входящие в уравнение (20), используя формулы (15).

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Здесь слева расставлены соответствующие коэффициенты уравнения (20). Собирая подобные слагаемые, получим

Канонический вид линейного дифференциального уравнения. (21)

В уравнении (21) приравняем к нулю коэффициенты при Канонический вид линейного дифференциального уравненияи Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Откуда Канонический вид линейного дифференциального уравненияПодставив эти значения параметров в уравнение (21) и разделив его на Канонический вид линейного дифференциального уравнения, придем к уравнению

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Ответ. Уравнение (20) является уравнением эллиптического типа на всей плоскости XOY. Его канонический вид

Канонический вид линейного дифференциального уравнения,

где Канонический вид линейного дифференциального уравненияКанонический вид линейного дифференциального уравнения.

2.3. Задачи для самостоятельного решения

Задача 4. Привести уравнения к каноническому виду и упростить группу младших производных.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения.

Видео:§31.1 Приведение уравнения кривой к каноническому видуСкачать

§31.1 Приведение уравнения кривой к каноническому виду

Дифференциальные уравнения в частных производных с примерами решения и образцами выполнения

Дифференциальным уравнением с частными производными называется уравнение вида
(1)

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

связывающее независимые переменные x1, х2, … , хn искомую функцию и = и(х1, х2,…, хn) и ее частные производные (наличие хотя бы одной производной обязательно). Здесь ki,k2,… ,кn — неотрицательные целые числа, такие, что к1 + к2 + … + кп = т.

Порядком дифференциального уравнения называется наивысший порядок входящие в уравнение частных производных. Так, если х, у — независимые переменные, и = и(х, у) — искомая функция, то

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

— дифференциальное уравнение 1-го порядка;

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

— дифференциальные уравнения 2-го порядка.

Для упрощения записи пользуются также следующими обозначениями:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Пусть имеем дифференциальное уравнение с частными производными (1) порядка т. Обозначим через С m (D) множество функций, непрерывных в области D вместе со всеми производными до порядка m включительно.

Определение:

Решением дифференциального уравнения (1) в некоторой области D изменения независимых переменных x1, x2…xn,. называется всякая функция и = и(х1, х2,…, xп) ∈ С m (D) такая, что подстановка этой функции и ее производных в уравнение (1) обращает последнее в тождество по x1, x2, …., хп в области D.

Пример:

Найти решение и = и(х,у) уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Равенство (2) означает, что искомая функция и не зависит опт х, но может быть любой функцией от у,

u = φ(y). (3)

Таким образом, решение (3) уравнения (2) содержит одну произвольную функцию. Это — общее решение уравнения (2).

Приме:

Найти решение u = u(z, у) уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Положим Канонический вид линейного дифференциального уравнения= о. Тогда уравнение (4) примет вид Канонический вид линейного дифференциального уравнения= 0. Его общим решением будет произвольная функция v = w(у). Поскольку v= Канонический вид линейного дифференциального уравненияприходим к уравнению Канонический вид линейного дифференциального уравнения= w(у). Интегрируя по у (считая х параметром), получим

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

где g(x) — произвольная функция. Так как w(у) — произвольная функция, то и интеграл от нее также является произвольной функцией; обозначим его через f(у). В результате получим решение уравнения (4) в виде

u(x, y) = f(y) + g(x) (5)

произвольные дифференцируемые функции).

Решение (5) уравнения с частными производными 2-го порядка (4) содержит уже две произвольные функции. Его называют общим решением уравнения (4), так как всякое другое решение уравнения (4) может быть получено из (5) подходящим выбором функций f и g.

Мы видим, таким образом, что уравнения с частными производными имеют целые семейства решений. Однако существуют уравнения с частными производными, множества решений которых весьма узки и, в некоторых случаях, да же пусты.

Пример:

Множество действительных решений уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

исчерпывается функцией u(x, y) = const, а уравнение

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

вовсе не имеет действительных решений.

Мы не ставим пока вопрос об отыскании частных решений. Позже будет выяснено, какие дополнительные условия нужно задать, чтобы с их помощью можно было выделить частное решение, т.е. функцию, удовлетворяющую как дифференциальному уравнению, так и этим дополнительным условиям.

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Видео:Математика без Ху!ни. Уравнения прямой. Часть 2. Каноническое, общее и в отрезках.Скачать

Математика без Ху!ни. Уравнения прямой. Часть 2. Каноническое, общее и в отрезках.

Линейные дифференциальные уравнения с частными производными. Свойства их решений

Уравнение с частными производными называется линейным, если оно линейно относительно искомой функции и всех ее производных, входящих в уравнение; в противном случае уравнение называется нелинейным.

Пример:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

— линейное уравнение; уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Линейное дифференциальное уравнение 2-го порядка для функции двух независимых переменных х, у в общем случае имеет вид
(1)

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

где А(х, у), В(х, у), …, с(х,у), f(x,y) — функции переменных х, у, заданные в некоторой области D плоскости хОу. Если f(x,y) ≡ 0 в D, то уравнение (1) называется однородным, в противном случае — неоднородным.

Обозначив левую часть уравнения (1) через L[u], запишем (1) в виде

L[u] = f(x, у). (2)

Соответствующее однородное уравнение запишется так:

L[u] = 0. (3)

Здесь L — линейный дифференциальный оператор, определенный на линейном пространстве C 2 (D) функций и = и(х, у).

Пользуясь свойством линейности оператора L, легко убедиться в справедливости следующих теорем, выражающих свойства решений линейных однородных дифференциальных уравнений с частными производными.

Теорема:

Если и(х, у) есть решение линейного однородного уравнения (3), то си(х, у), где с — любая постоянная, есть также решение уравнения (3).

Теорема:

Если и1(х, у) и и2(х, у) — решения линейного однородного уравнения (3), то сумма и1(х, у) + и2(x, у) есть также решение этого уравнения.

Следствие:

Если каждая из функций и1(х, у) и и2(х, у), u k(x, у) является решением уравнения (3), то линейная комбинация

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

где c1, c2 …, сk — произвольные постоянные, также является решением этого уравнения.

В отличие от обыкновенного линейного однородного дифференциального уравнения, имеющего конечное число линейно независимых частных решений, линейная

комбинация которых дает общее решение этого уравнения, уравнение с частными производными может иметь бесконечное множество линейно независимых частных решений.

Пример:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

имеет общее решение k = φ(х), так что решениями его будут, например, функции 1,х,…, х n ,… . В соответствии с этим в линейных задачах для уравнений с частными производными нам придется иметь дело не только с линейными комбинациями конечного числа решений, но и с рядами Канонический вид линейного дифференциального уравнения, членами которых являются произведения постоянных Сп на частные решения иn(х, у) дифференциального уравнения.

Возможны случаи, когда функция и(х, у; λ) при всех значениях параметра λ из некоторого интервала (λо, λ1), конечного или бесконечного, является решением уравнения (3). В этом случае говорят, что решения уравнения зависят от непрерывно меняющегося параметра λ. Если теперь взять функцию С(λ) такую, что первые и вторые производные интеграла

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

по х и по у могут быть получены с помощью дифференцирования под знаком интеграла, то этот интеграл также будет решением уравнения (3). Для линейного неоднородного уравнения

L[u] = f (4)

справедливы следующие предложения.

Теорема:

Если и(х, у) есть решение линейного неоднородного уравнения (4), a v(x, у) — решение соответствующего однородного уравнения (3), то сумма и + v есть решение неоднородного уравнения (4).

Теорема:

Принцип суперпозиции. Если и1(х, у) —решение уравнения L[u] = f1, a u2(x,y) — решение уравнения L[u] = f2, то и1 + u2 — решение уравнения L[u] = f1 + f2.

Видео:Линейное дифференциальное уравнение Коши-ЭйлераСкачать

Линейное дифференциальное уравнение Коши-Эйлера

Классификация линейных дифференциальных уравнений второго порядка с двумя независимыми переменными

Определение:

Линейное дифференциальное уравнение второго порядка

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

в некоторой области Q на плоскости хОу называется

1) гиперболическим в Ω, если

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

2) параболическим в Ω, если

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

3) эллиптическим в Ω, если

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Пользуясь этим определением, легко проверить, что уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

— гиперболические при всех х и у, уравнение

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

— параболическое при всех х и у, а уравнение

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

— эллиптическое при всех х и у. Уравнение

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

— эллиптическое при у > 0, параболическое на линии у = 0 и гиперболическое в полуплоскости у Канонический вид линейного дифференциального уравнения

с помощью которой уравнение (1) преобразуется к более простому, каноническому виду, своему для каждого типа уравнения.

Уравнение гиперболического типа (∆ > 0) преобразуется к вшу

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

(два канонических вида уравнений гиперболического типа).

Уравнение параболического типа (∆ ≡ 0) преобразуется к виду

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

(канонический вид уравнения параболического типа).

Уравнение эллиптического типа (∆ Канонический вид линейного дифференциального уравнения

(канонический вид уравнения эллиптического типа). Здесь F и Ф — некоторые функции, зависящие от искомой функции и, ее первых производных Канонический вид линейного дифференциального уравненияи независимых переменных ξ, η. Вид функций F и Ф определяется исходным уравнением (1).

В некоторых случаях каноническая форма уравнения позволяет найти общее решение исходного уравнения.

Как правило, приведениеуравнения(1) к каноническому виду путем замены независимых переменных имеет локальный характер, т. е. осуществимо лишь в некоторой достаточно малой окрестности рассматриваемой точки Mo(xo, уo).

Когда число п независимых переменных больше двух, также различают уравнения гиперболического, параболического и эллиптического типов. Например, при п = 4 простейшая каноническая форма таких уравнений имеет вид

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Здесь и = и(х, у, z, t).

Замечание:

В общем случае, когда число независимых переменных больше двух, приведение линейною уравнения с переменными коэффициентами

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

к каноническому виду возможно только в данной точке Канонический вид линейного дифференциального уравненияи невозможно в любой сколь угодно малой окрестности этой точки.

Мы ограничимся рассмотрением линейных дифференциальных уравнений 2-го порядка. К таким уравнениям приводит большое количество различных физических задач.

Так, колебательные процессы различной природы (колебания струн, мембран, акустические колебания газа в трубах, электромагнитные колебания и т. д.) описываются уравнениями гиперболического типа. Простейшим из таких уравнений является уравнение колебаний струны (одномерное волновое уравнение): (2)

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Здесь х — пространственная координата, t — время, Канонический вид линейного дифференциального уравнениягде Т — натяжение струны, р — ее линейная плотность.

Процессы теплопроводности и диффузии приводят к уравнениям параболического типа. В одномерном случае простейшее уравнение теплопроводности имеет вид
(3)

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Здесь Канонический вид линейного дифференциального уравнениягде р — плотность среды, с — удельная теплоемкость, k — коэффициент теплопроводности.

Наконец, установившиеся процессы, когда искомая функция не зависит от времени, определяются уравнениями эллиптического типа, типичным представителем которых является уравнение Лапласа
(4)

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Непосредственной проверкой убеждаемся в том, что решением уравнения (2) является всякая функция и(х, t) вида

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Можно показать, что решениями уравнения (3) являются функции вида

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

произвольные постоянные, А — числовой параметр). Интегрируя решение и(х, t; λ) = Канонический вид линейного дифференциального уравненияуравнения (3) по параметру λ в пределах от — ∞ до + ∞ , получим так называемое фундаментальное решение U(x, t) = Канонический вид линейного дифференциального уравненияуравнения теплопроводности.

Наконец, нетрудно убедиться, что действительнозначные функции Рn(х,у) и Qn(x, у), определяемые из соотношения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

являются решениями уравнения Лапласа (4) для п = 0, 1, 2…..Этот последний результат есть частный, случай общего утверждения, что и действительная и мнимая части аналитической функции

f(z) = u(x, у) + iv(x, у)

комплексного переменного z = х + iy являются решениями уравнения Лапласа (4).

В силу линейности уравнения (4) ряды

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

тоже будут решениями уравнения (4), если они сходятся равномерно, как и ряды, полученные из них двукратным почленным дифференцированием по каждому из аргументов х, у.

Таким образом, для простейшей — канонической — формы уравнений гиперболического, параболического и эллиптического типов мы располагаем о решениях этих уравнений некоторой информацией.

Видео:Привести квадратичную форму к каноническому видуСкачать

Привести квадратичную форму к каноническому виду

Постановка основных задач для линейных дифференциальных уравнений второго порядка

Для полного описания того или иного физического процесса мало иметь только дифференциальное уравнение процесса, надо еще задать начальное состояние этого процесса (начальные условия) и режим на границе S той области Ω, в которой процесс происходит (граничные условия). Это обусловлено неединственностью решения дифференциальных уравнений.

Пример:

Общее решение уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

имеет вид и(х, у) = f(x) + g(y), где f(x) и g(y) — произвольные дифференцируемые функции. Поэтому чтобы выделить решение, описывающее данный физический процесс, необходимо задать дополнительные условия.

Различают три основных типа задач для дифференциальных уравнений с частными производными (число независимых переменных равно п):

а) задача Коши для уравнений гиперболического и параболического типов: задаются начальные условия, область Ω совпадает со всем пространством R n , граничные условия отсутствуют;

б) краевая задача для уравнений эллиптического типа: задаются граничные условия на границе S области Ω, начальные условия отсутствуют;

в) смешанная задача для уравнений гиперболического и параболического типов: задаются начальные и граничные условия, Ω ≠ R n

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения Канонический вид линейного дифференциального уравнения

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

📹 Видео

2. Приведение уравнений второго порядка к каноническому видуСкачать

2. Приведение уравнений второго порядка к каноническому виду

Видеоурок "Канонические уравнения прямой"Скачать

Видеоурок "Канонические уравнения прямой"

13. Общие уравнения прямой в пространстве / приведение к каноническому видуСкачать

13. Общие уравнения прямой в пространстве / приведение к каноническому виду

16. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

16. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентами

§23 Приведение матрицы к каноническому видуСкачать

§23 Приведение матрицы к каноническому виду

Видеоурок "Приведение к каноническому виду"Скачать

Видеоурок "Приведение к каноническому виду"

Приведение кривой второго порядка к каноническому виду. ПримерСкачать

Приведение кривой второго порядка к каноническому виду. Пример

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами 4y''-y=x^3-24x #1Скачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами 4y''-y=x^3-24x #1
Поделиться или сохранить к себе: