全微分方程

全微分方程

全微分方程,又稱恰當方程。若存在一個二元函式u(x,y)使得方程M(x,y)dx+N(x,y)dy=0的左端為全微分,即M(x,y)dx+N(x,y)dy=du(x,y),則稱其為全微分方程。全微分方程的充分必要條件為∂M/∂y=∂N/∂x。為了求出全微分方程的原函式,可以採用不定積分法和分組法,對於不是全微分方程,也可以藉助積分因子使其成為全微分方程,再通過以上方法求解。

基本介紹

  • 中文名:全微分方程
  • 外文名:complete differential equation
  • 別名:恰當方程
  • 判別:充要條件∂M/∂y=∂N/∂x
  • 求解方法:不定積分法和分組法
  • 領域:微積分
定義,全微分方程的通積分形式,全微分方程的判別與求解,

定義

一階顯式方程
可以改寫成關於
和
的對稱形式
(1)
這種形式有時便於求解。這裡
和
在某一矩形域
內是
的連續函式,且具有連續的一階偏導數。
如果存在一個二元函式
使得該方程的左端恰好是它的全微分,即有
則稱其為全微分方程(或恰當方程),而函式
是
的原函式。

全微分方程的通積分形式

當方程
是全微分方程時,它可寫成
,於是其通積分就是
(2)
其中
為任意常數。
事實上,設
是原方程的解,則有
即有
對
積分得到
這表明
滿足方程(2)。
反之,設
是函式方程(2)的解,即它是由(2)所確定的隱函式,則有
對
微分得到
即
這表明
滿足方程(1)。
因此全微分方程的通積分形式是
。
根據上述表述,為了求解方程(1),只要求出
的一個原函式
,就可得到方程(1)的通積分(2)。

全微分方程的判別與求解

①如何判別方程(1)為全微分方程,這個問題在數學內早有結論,即
方程(1)是全微分方程的充分必要條件是
在矩形域
內成立。
②如果已判定方程(1)為全微分方程,如何求出相應全微分的原函式
,這個問題在數學分析中也已經得到解決,最常用的方法是不定積分法。
因為所求的原函式
適應方程組
首先由第一個式子出發,把
看成參數,兩邊對
積分,得
其中
是
的任意可微函式,而且要選擇適當的
,使
滿足第二個式子。為此,將其代入第二個等式得
即
兩邊對
積分,即可得到
,再代回之前的積分,即可得到
。
但對於某些特殊的全微分方程,為了求出相應全微分的原函式,還可以採用相對簡單的“分組湊全微分”的方法,即把方程的左端各項進行重新組合,使每個組的原函式容易觀察得出,從而可以寫出
。
而對於不是全微分的方程,可以採用積分因子使其成為全微分方程,再根據以上方法求解。

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