第六章 一阶偏微分方程

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1 第六章一阶偏微分方程 主讲人 : 刘兴波

2 6. 微分方程组的首次积分 对于非线性微分方程组 d d d d d d f (,,, f(,,,,, 6. f (,,, 它没有一般的求解方法. 本节介绍一种所谓的首次积分方法, 它不仅在某些情况下能有效地求解方程组 (6., 而且它与求 解一阶偏微分方程密切相关.

3 一 概念的引入 6. 求解方程组 d d dy d 解 : 将方程组中的两式相加得 d( y ( y, d 积分得 ( ye c. 将方程组中的两式相减得 d( y y, d 积分得 ( ye c. y,.

4 于是原方程组的通积分为 ( ( 其中 c和 c 是任意常数. ye ye c c,. 记 设 u (,, y ( ye, u (,, y ( ye. y u, u (, ( 是方程组的任一组解, 代入函数 中都有 u (, (, ( ( ( ( e c ; u (, (, ( ( ( ( e c.

5 注 : 从例 6. 中可以看出, 函数 u, u 本身不是常数, 但沿着方 程组的任一条积分曲线上恒为常数, 该常数与积分曲线的 选择有关. 于是通过寻找具有这种性质的函数, 一样能够 求得通解 ( 隐式通解.

6 定义 6. 设,,,, u 是区域 G R ( 内连续可 微, 且不恒等于常数的函数, 如果方程组 (6. 的任一组解 (, (,, (, I, 使得 某常数, u,,,, 6. 则称,,,, u 为方程组 (6. 的一个首次积分. ( 有时也称 u(,,,, c为方程组 (6. 的首次积分. 由定义知例 6. 中 u(,, y ( y e 和 u (,, y ( y e 是它们方程组的 个首次积分.

7 注 : 根据定义来验证一个连续可微函数 u,,,, ( 是否方程组 (6. 的一个首次积分很不现实, 因为涉及方程组的求解问题. 我们需要它的可验证的等价条件

8 一 首次积分的性质 定理 6. 函数 分的充要条件是在某区域 证明 : 必要性. 设函数 6., u(,,,, 是方程组 (6. 的首次积分, 根据定义 u,,,, 沿着 G 内的任意一条积分曲线 ( (, (,, ( 都有 u(,,,, G u u u f f u,,,, 某常数, 是方程组 (6. 的首次积 R 上成立恒等式 0 6.3

9 根据解的存在惟一性定理, G 内任意一点都有一条积分曲线通过, 因此等式 (6.3 在 G 内任意一点都成立. 两边对 求导得 u d d u u d ( d ( 0 f u f u u.

10 充分性. 若等式 (6.3 在 G 内恒成立, 则沿方程组 (6. 的任何积分曲线 (, (,, ( 也成立, 从而有 0 u u f u f u u d ( d u d( d d [ u (, (, (,, ( ], d 积分得 u,,,, 某常数, 所以函数 u,,,, 是方程组 (6. 的首次积分. 证毕. (

11 注 6. 关系式 (6.3 是函数 u,,,, 的一阶线性偏微分方程. 应用定理 6. 到例 6., 容易验证 u (,, y ( 义 6., ( u, u y e ( u(,, y ( y e 都是方程组的首次积分, 并且根据定 也是方程组的首次积分, 其中 是任意关于其 变量连续可微的函数. 那么 u 和 为什么能够构成方程组 的通解呢? 这里涉及到首次积分之间的独立性的概念. u 和

12 定义 6. 设 u j(,,,, ( j,,, k 是方程组 (6. 的 个首次积分, 如果 Jacobi 矩阵 ( u, u (,,, u,, k u u u u u u u u u k k k k 6.4 中某个 k 阶子矩阵的行列式在区域 G 内恒不为零, 则称 u,,,, ( j,,, k j( 个独立的首次积分. 是方程组 (6. 的

13 定理 6. 如果已知方程组 (6. 的一个首次积分, 则可将方 程组 (6. 降低一维 ; 如果已知方程组 (6. 的 个独立的首次积分, 则可将方程组 (6. 降低维. 应用定理 6. 到例 6., 因为 k k k 所以 u(,, y ( y e 和 u (,, y ( y e 是方程组在 R 3 u u y e e 3 de de 0, (,, y R. u u ( u, u ( y, e e y 上独立的首次积分.

14 定理 6.3 如果已知方程组 (6. 的 u (,,,, c ( j,,, 6.5 j j 则它们组合在一起构成方程组 (6. 的通解. 证明 : 设 u 则其 Jacobi 行列式 j(,,,, c j G ( u, u,, u (,,, 所以从函数方程组 (6.5 中可以解出 k G 个独立的首次积分 在区域上独立, 0, (, c, c,, c (, c, c,, c, 6.6 (, c, c,, c

15 其中 c, 是个相互独立的任意常数. 将其代入 (6.5 中得到, c, c 个恒等式, 并且恒等式两边对 u u u 0,( j,,, 6.7 又因为 u 是方程组 (6. 的首次积分, 由定理 j j j j(,,,, 6. 知, 沿着积分曲线有 j j j 恒等式 (6.7 与 (6.8 相减得 求导可得 u u u f f 0, ( j,,,, 6.8 u j uj ( f ( f 0,( j,,, 6.9

16 这是以 f, f,, f 为未知变量的代数线性方 程组. 由于它的系数矩阵的行列式即为 ( u, u,, u (,,, G 0, 因此方程组 (6.9 在区域 G内只有零解, 即 f, f,, f. 所以由 (6.6 定义的函数是方程组 (6. 的解, 即 (6.5 式 u (,,,, c ( j,,, j j 是方程组 (6. 的隐式解.

17 其次证明 (6.5 式 u (,,,, c ( j,,, 是方程组 j j (6. 的隐式通解. 为此, 只要证明能够选择适当的常数 c j 使得由 (6.5 所确定的一条积分曲线, 通过任意给定的初始点 ( 0,,,,. 只要取 c u (,,,,,( j,,, j j 0 即可. 定理证毕. 注 6. 按照通解的定义, 也可以证明在 (6.5 中的 个任意常数 c, c,, c 是相互独立的.

18 由于 (6.5 与 (6.6 互为反函数, 所以 故由 ( u ( ( u, u,, u (,,, (,,, ( c, c,, c, u, { } 0. G,, u,, G 0 推出 c c c (,,, de c c c 0, ( c, c,, c G c c c 所以是相互独立的任意常数. c, c,, c G G

19 注 : 求解方程组 (6., 只要求出它的 个独立的首次积分即可. 而在实际寻找方程组的首次积分时有相当的困难, 甚至不可能. 但在理论上可以证明, 在相当广泛的条件下, 首次积分是存在的.

20 三. 首次积分的存在性 定理 6.4 如果方程组 (6. 满足存在惟一性定理和解对初值的 可微性定理的条件, 则方程组 (6. 存在个独立的首次积分. 证明 : 若 ( ; 0, c, c,, c ( ; 0, c, c,, c ( ; 0, c, c,, c 是方程组 (6. 过初始点 (, c, c,, c 作为初始点, 则由解的 惟一性, 此积分曲线即为 (6.0, 但可表示为 (,,,, 的一条积分曲线, 根据解对初值的可微性定理, (6.0 中的每一个函数关于变量和初值在其定义域内是连续可微的. 如果取这条积分曲线上任一点

21 ( ;,,,, ( ;,,,,, ( ;,,,, 它通过点 ( 0, c, c,, c. 所以 c ( 0 ;,,,, c ( 0 ;,,,,.. 6. c ( 0 ;,,,, 可以看出关系式 (6.0 与 (6. 是互为反函数, 具有对称性. 如果固定 0, 任意取定常数 c, c,, c, (6.4 中的每一个函数 都是方程组 (6. 的首次积分. 并且是独立的, 所以方程组 (6. 存在个独立的首次积分. 证毕.

22 定理 6.5 方程组 (6. 至多存在 个独立的首次积分. 证明 : 设方程组 (6. 有 j j 个的首次积分 u (,,,, c,( j,,, 6., 则由定理 6. 知, 在某个区域 显然, j j j G 内成立 u u u f f 0, ( j,,, 6.3 (, f,, f 是 阶齐次代数线性方程组 (6.3 的非零 解, 从而它的系数行列式 ( u, u,, u, u (,,,, G 0. 因此任何 个的首次积分 (6. 是不可能独立的.

23 四. 首次积分的求法本节介绍一种常用的方法 -- 可积组合法. 所谓的可积组合是指对方程组 (6. 的诸方程进行适当的算术运算使得能够作出容易求解的方程 v F(, v, v 0, 6.4 其中为未知函数, v(,,, (6.4 称为方程组 (6. 的一个可积组合. 每个可积组合可得方程组 (6. 的一个首次积分, 若能够求得 个独立的首次积分, 则问题就解决了.

24 例 6. 求解方程组 d 3( y d. dy 6 y d 解 : 将方程组中的两式相加得 d( y 3 ( y, d 其中 v y, 积分上式得一个首次积分 3 c. y 将方程组中的两式相减得 d( y 3 ( y, d 其中 v y, 同样积分可得另一个首次积分 3 y c.

25 (,,, (,,. y y 3 3 记 u y u y 因为 u u ( ( (, y u u y y de, (, y u u ( y y ( y ( y 所以在任何不含 方程组的通解为 y 的区域内, y y 3 3 c c u 和 u 是独立的, 故原.

26 例 6.3 求解方程组 d d dy d y. 解 : 因为 yd d d y, 所以 yd d y, 积分得一个首次积分 y c. 又可得 yd d. dy d 相加得 yd( dy 3d, 积分得另一个首次积分 3 y c.

27 y 3 记 u(,, y, u(,, y y. 因为 u u y (, y u u de 3y 0,( y 0, ( y, u u y y 所以原方程组的通解为 y c, 3 y c. 在用可积组合法求解首次积分时, 有时将方程组 (6. 写成对称形式 d d d f f f, 6.5 其中 f,. 其目的是便于寻找可积组合. 为此需要一 个引理.

28 命题 6. 如果存在 个不同时为零的函数,,, ( j,,, 使得 j f j 0, 并且 d j j j j u,,,, u,,,, 的全微分, 则 ( (6.( 或方程组 (6.5 的首次积分. 证明 : 设 ( j( 是函数 是方程组 (, (,, ( 是方程组 (6. 的任意一组解, 则 d d u(, (, (,, ( d ( d ( f d 0. 所以 j j j j j j j j d j u(, (, (,, ( c, 根据首次积分的定义知,,,,, 次积分. ( u 是方程组 (6. 的首

29 注 6.3 寻找满足命题 6. 要求的函数,,, j( ( j,,,, 它提供了一种求解首次积分的可能性. 在求解过程中, 经常利用比例性质 d d d d d f f f f f, 6.6 将方程组 (6.5 化为容易求积的形式, 或者化分母为零. 其作 用与命题 6. 相等.

30 例 6.4 求解方程组 d mz y d y lz dz l y m, 其中 m,, l 是不同时为零的常数. 解 : 取, y, z, 它们满足 3 f f 3 f3 ( mz y y( lz z( l y m 以及 d dy 3dz d ydy zdz d( y z. 根据命题 6., 0 u (,, y, z y z 是原方程组的一个首次积分.

31 同样, 取 l, m,, 3 它们满足 f f 3 f3 l( mz y m( lz ( l y m 以及 d dy dz ld mdy dz d( l my z. 3 又根据命题 6., u(,, y, z 一个首次积分. 从几何上看 l 平面族, 它们显然是独立的. 所以 是原方程组的通解. my y z c l my z c z 0 是原方程组的另 u c 为球面族, 而 u c

32 例 6.5 求解方程组 d y d y. dy d y 解 : 将方程组写成对称形式 d d d y. y y 取,,, 它们满足 以及 3 f f 3 f3 ( y ( y ( 0 d d dy d d dy d( y. 3 根据命题 6., u(,, y y 是原方程组的一个首次积分.

33 取,, y, 它们满足 3 f f 3 f3 ( y ( y y( 0 以及 d d 3dy d d ydy d( y. 根据命题 6., u (,, y y 个首次积分. 显然它们是独立的, 因此 是原方程组的另一 y y c c 是原方程组的通解.

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