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§2.3 恰当微分方程与积分因子 2.3.1 恰当微分方程 一阶微分方程 可写成 本节考虑一般的微分形式的一阶微分方程: * 其中M(x,y),N(x,y)是某区域D内的连续函数,且具有连续的一阶偏导数. 定义:若存在一个二元函数u(x,y)使得 那么称方程(1)为恰当微分方程(全微分方程). 显然,全微分方程(1)的通解是:u(x,y)=c. 自然有下述两问: (1)为恰当方程的条件? 当(1)为恰当方程时,如何求u(x,y)? 定理:设方程(1)中的M(x,y),N(x,y) 在平面单连通区域D内具连续一阶偏导数,则(1)为恰当方程的充要条件是: 在D内恒有 证明 必要性: 因为 连续,所以 充分性: 在 的条件下找u(x,y)使du=Mdx+Ndy, 即 成立. (其中 待定)代入 ,得 需要证明 与x无关.事实上, 在 连续的条件下有 所以 于是求得 恰当方程的解法 1)线积分法 因为(1)为全微分方程,满足 ,所以方程(1)的通解是 积分路线为内D某点(x0,y0)到(x,y)的任一路径. 例1 解方程 (3x2+6xy2)dx+(6x2y+4y3)dy=0. 解 :因为 所以,原方程是恰当方程. 所以原方程的通解是x3+3x2y2+y4=c. 例2 解方程 解 :因为 所以,原方程是恰当方程. 所以原方程的通解是 2)不定积分法 利用定理的充分性的证明方法,求同时满足等式 的u(x,y). 例如,例1 (3x2+6xy2)dx+(6x2y+4y3)dy=0. 设法求同时满足 的u(x,y). 由(3)式 得 u=x3+3x2y2+k(y). 代入(4)式得 所以,通解是x3+3x2y2+y4=c. 3)观察法(分项组合) 对于已经确定是恰当方程的微分方程,可用分项组合的方法:先将本身已构成全微分的项分出,再把其余的项凑成某函数的全微分.此法需熟记一些简单的二元函数的全微分,如 例如,例1 (3x2+6xy2)dx+(6x2y+4y3)dy=0. 再如,例3 (cosy+ycosx)dx+(sinx-xsiny)dy=0, 例4 2.3.2 积分因子 1.定义:如果存在连续可微的函数μ=μ(x,y)≠0,使 μ(x,y)M(x,y)dx+μ(x,y)N(x,y)dy=0 (5) 成为恰当方程,即存在v(x,y),使 μ(x,y)M(x,y)dx+μ(x,y)N(x,y)dy≡dv(x,y), 则称为方程(1)的积分因子. 注1: v(x,y)=c 是方程(5)的通解,因为 μ(x,y) ≠0 , 所以v(x,y)=c也是(1)的通解; 注2: 一个方程可以有不同的积分因子.如,对于方程 ydx-xdy=0, 都是它的积分因子. 只要方程(1)有解,则必存在积分因子.因所选择的积分因子不同,得到的通解可能有不同的形式,但它所定义的积分曲线族是一样的. 2.积分因子的求法 根据定义知, μ(x,y) 是方程(1)的积分因子的充要条件是: 即 这是一个以μ为未知函数的一阶线性偏微分方程. 若存在只与x有关的积分因子,则根据(6)得 所以,方程(1)存在只与x有关的积分因子的充要条件是 此时, 是方程(1)的一个积分因子. 存在只与y有关的积分因子的充要条件是 此时, 是方程(1)的一个积分因子. 存在只与z=x2+y2有关的积分因子的充要条件是 此时, 是方程(1)的一个积分因子. *
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