微分方程-积分因子法

积分因子法

\displaystyle P(x,y)\text{d}x+Q(x,y)\text{d}y=0\quad(2.55)

若方程是恰当方程,即 \displaystyle\dfrac{\partial P}{\partial y}=\dfrac{\partial Q}{\partial x},则它的通积分为
\displaystyle\int_{x_0}^xP(x,y)\text{d}x+\int_{y_0}^{y}Q(x_0,y)\text{d}y=C

对一般的方程(2.55),设法寻找一个可微的非零函数 \mu=\mu(x,y),使得用它乘方程(2.55)后,所得方程

\displaystyle\mu(x,y)P(x,y)\text{d}x+\mu(x,y)Q(x,y)\text{d}y=0\quad(2.56)

成为恰当方程,即

\displaystyle\dfrac{\partial (\mu P)}{\partial y}=\dfrac{\partial (\mu Q)}{\partial x}

这时,函数 \mu=\mu(x,y) 叫做方程(2.55)的一个积分因子

定理 2.4

微分方程(2.55)有一个只依赖于 x 得积分因子得充要条件是:表达式

\displaystyle\dfrac{1}{Q(x,y)}\left(\dfrac{\partial P(x,y)}{\partial y}-\dfrac{\partial Q(x,y)}{\partial x}\right)\;(2.60)

只依赖于 x,而与 y 无关;而且若把表达式(2.60)记为 G(x),则 \mu(x)=e^{\int G(x)\text{d}x} 是方程(2.55)的一个积分因子.

类似的有下面平行的结果:

定理 2.5

微分方程(2.55)有一个只依赖于 y 得积分因子得充要条件是:表达式

\displaystyle\dfrac{1}{P(x,y)}\left(\dfrac{\partial Q(x,y)}{\partial x}-\dfrac{\partial P(x,y)}{\partial y}\right)=H(y)\;(2.60)

只依赖于 y,则 \mu(y)=e^{\int H(y)\text{d}y} 是方程(2.55)的一个积分因子.


求解微分方程
\displaystyle (3x^3+y)\text{d}x+(2x^2y-x)\text{d}y=0\quad(2.62)
可以用积分因子求解通积分

我们现在从另一种观点——分组求积分因子
将(2.62)左端分成两组
(3x^3\text{d}x+2x^2y\text{d}y)+(y\text{d}x-x\text{d}y)=0

其中第二组 y\text{d}x-x\text{d}y 显然有积分因子:x^{-2},y^{-2},(x^2+y^2)^{-1},如果同时照顾到第一组的全微分形式,则 \mu=x^{-2} 乃是两组公共的积分因子,从而是方程(2.62)的积分因子. 为了使这种分组求积分因子的方法一般化,我们需要下述定理.

定理 2.6

\mu=\mu(x,y) 是方程(2.55)的一个积分因子,使得
\mu P(x,y)\text{d}x+\mu Q(x,y)\text{d}y=\text{d}\varPhi(x,y)

\mu(z,y)g(\varPhi(x,y)) 也是(2.55)的一个积分因子,其中 g(\cdot) 是任意可微的非零函数

假设方程(2.55)的左端可以分成两组,即

(P_1\text{d}x+Q_1\text{d}y)+(P_2\text{d}x+Q_2\text{d}y)=0
其中第一组和第二组各有积分因子 \mu_1\mu_2,使得

\mu_1(P_1\text{d}x+Q_1\text{d}y)=\text{d}\varPhi_1,\,\mu_2(P_2\text{d}x+Q_2\text{d}y)=\text{d}\varPhi_2

由定理 2.6 可见,对任意可微函数 g_1g_2,函数 \mu_1g_1(\varPhi_1) 是第一组的积分因子,而函数 \mu_2g_2(\varPhi_2) 是第二组的积分因子. 因此,如果能适当选取 g_1g_2,使得 \mu_1g_2(\varPhi_1)=\mu_2g_2(\varPhi_2),则 \mu=\mu_1g_1(\varPhi_1) 就是方程(2.55)的一个积分因子.

推广

P(x,y)\text{d}x+Q(x,y)\text{d}y=0 是齐次方程,则函数
\displaystyle \mu(x,y)=\dfrac{1}{xP(x,y)+yQ(x,y)} 是一个积分因子

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 215,634评论 6 497
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 91,951评论 3 391
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 161,427评论 0 351
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 57,770评论 1 290
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 66,835评论 6 388
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 50,799评论 1 294
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 39,768评论 3 416
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 38,544评论 0 271
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 44,979评论 1 308
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 37,271评论 2 331
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 39,427评论 1 345
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 35,121评论 5 340
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 40,756评论 3 324
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 31,375评论 0 21
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 32,579评论 1 268
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 47,410评论 2 368
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 44,315评论 2 352

推荐阅读更多精彩内容

  • 1. 不定积分 1.1 定义 在区间 上,函数 的带有任意常数项的原函数称为 (或 )在区间 上的不定积分...
    _诉说阅读 2,631评论 0 0
  • 考试科目:高等数学、线性代数、概率论与数理统计 考试形式和试卷结构 一、试卷满分及考试时间 试卷满分为150分,考...
    Saudade_lh阅读 1,076评论 0 0
  • 2017年考研数学一大纲原文 考试科目:高等数学、线性代数、概率论与数理统计 考试形式和试卷结构 一、试卷满分及考...
    SheBang_阅读 621评论 0 7
  • 刚Get了《七十七》。说实话,挺震撼的。 实景拍的非常好看。放广告时看了一下评论,大部分网友都觉得故事性不强。 所...
    brmzj阅读 249评论 0 0
  • 儿子跑到我面前,跟我说:“妈妈,宝宝啊qiuqiu了,我的天,怎么办?”我的天,我怎么知道怎么办?
    霖少爷阅读 173评论 0 0