常微分方程 奇解與包絡

2021-10-06 01:11:13 字數 2237 閱讀 2328

1.包絡(envelope)

曲線的包絡:是指本身並不包含在在曲線族中,但過這條曲線上的每一點,有曲線族中的一條曲線與其在此點相切。

在幾何學上,這種特殊的積分曲線稱為上述積分曲線族的包絡(envelope)

例如,直線y=0即為曲線族y=(x+c)^2(c為任意常數)的包絡。

注:並不是每個曲線族都有包絡

單引數曲線族:x^2+y^2=c^2

表示一組同心圓,不存在滿足條件的曲線。

2.奇解(singular solution)

在某些微分方程中,存在一條特殊的積分曲線,它並不屬於這個方程的積分曲線族,但在這條特殊的積分曲線上的每一點處,都有積分曲線中的一條曲線與其在此點相切。這條特殊的積分曲線所對應的解成為方程的奇解。

也可以說,對於方程f(x,y,y')=0的某個解,在它所對應的積分曲線上的每點處都不滿足存在唯一性定理的條件,即解的唯一性被破壞,(例如若某微分方程的通解為y=(x+c)^2(c為任意常數),在(0,0)處會有y=0與y=x^2兩個解,唯一性被破壞)

3.奇解與包絡的關係

一階微分方程的通解的包絡(如果它存在的話) 一定是奇解;

反之,微分方程的奇解(若存在的話)也是微分 方程的通解的包絡。

當然奇解還有通過破壞解的唯一性來解釋的,但這樣太強微分方程調解的唯一性遭到破壞,這樣奇解的定義就不需要和幾何上曲線族的包絡有太多聯絡。不會因為包絡的定義的不同導致不同的結果。

求微分方程的奇解

(i) 可以先求出它的通解; (ii) 求通解的包絡。

4.奇解(包絡線)的求法

(1)c-判別曲線法

設一階微分方程f(x,y,y')=0的通解為

通積分作為曲線族的包絡線(奇解)包含在下列方程組(1)

證明:必要性:設曲線族

引數c所對應的點在曲線

對c求導有

在點(x(c),y(c))處,包絡的切線與曲線族中曲線

所以有

反之,設方程組(1)確定的曲線為x=x(c),y=y(c),且沿著這條曲線有

充分性:有方程組(1)成立,我們可以推出

由於

所以引數方程x=x(c),y=y(c),與

從而引數方程即為

我們把方程組(1)消去c得到的曲線稱為曲線族

注意,包絡一定包含在c-判別曲線中,但c-判別曲線不一定為包絡,當不滿足

(2)p判別曲線法

由存在唯一性定理,設f(x,y,y')關於x,y,y'連續可微,那麼只要滿足

所以有對於方程f(x,y,y')=0的奇解包含在方程組

中,消去y'後得到的一條曲線。此曲線稱為方程的p判別曲線,是否為方程奇解,還需進一步檢驗。

(3)c-p判別法

對方程分別求p判別曲線和c判別曲線,取他們的公因式曲線,這個公共因式一般就是方程的奇解。

5.對於克萊羅方程的奇解

形如 y=xp+f (p) 的方程,稱為克萊羅方程,其他p=dy/dx,f(p)是p的連續可微函式。

兩邊對x積分可得,

當dp/dx=0時,p=c,可以直接求得方程通解為y=cx+f(c),c為任意常數,然後按照c-判別法求其奇解;

當x+f'(p)=0,與y=xp+f(p)可以消去p得到方程的另乙個解,可驗證此解為通解的包絡,即方程的奇解。

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