Тема 2, 3. Розв’язання диференціальних рівнянь, що дозволяють знизити порядок.
Одним з методів інтегрування диференціальних рівнянь другого порядку є метод пониження порядку. Суть методу полягає в тому, що за допомогою заміни змінною (підстановки) дане диференціальне рівняння зводиться до рівняння першого порядку.
Розглянемо три типи рівнянь, які допускають зниження порядку:
а) ; б) ; в) .
Рівняння а) розв’язано відносно похідної другого порядку і не містить шуканої функції та її похідної .
Рівняння б) не містить явно шуканої функції .
Рівняння в) не містить явно шуканої змінної .
Для рівняння а) порядок можна понизити безпосередньо шляхом послідовного інтегрування рівняння. Тоді інтегруємо і одержуємо
.
Далі інтегруємо отримане рівняння відносно змінної і знаходимо – загальний розв’язок даного диференціального рівняння.
Приклад 1.Розв’язати рівняння
Інтегруємо послідовно два рази дане рівняння і отримаємо:
;
;
– загальний розв’язок даного рівняння.
Приклад 2.Розв’язати рівняння
Інтегруємо послідовно два рази дане рівняння і отримаємо:
;
;
– загальний розв’язок даного рівняння.
Для розв’язування рівняння б) треба ввести допоміжну змінну , . Тоді і рівняння має вигляд , . Замінимо на і отримаємо рівняння . Для знаходження достатньо про інтегрувати останню рівність.
Загальний розв’язок рівняння буде мати вигляд .
Приклад 3.Розв’язати рівняння .
Нехай , , тоді це рівняння з відокремленим змінними . Інтегруємо його і отримаємо . Повернемося заміни і одержимо , інтегруємо .
– загальний розв’язок даного рівняння.
Для розв’язування рівняння в) треба ввести допоміжну функцію
.
Враховуючи, що залежить від і використовуючи правило диференціювання складної функції, одержимо, що
.
Тому рівняння в) прийме вигляд , тобто буде рівнянням першого порядку відносно допоміжної функції .
Після розв’язування цього рівняння треба повернутися до шуканої функції шляхом підстановки замість її значення і розв’язати одержане диференціальне рівняння першого порядку відносно .
Приклад 4.Знайти загальний розв’язок рівняння
.
Задане диференціальне рівняння не другого порядку, яке явно не містить аргументу . Тому використаємо допоміжну функцію.
та .
Після підстановки та в задане диференціальне рівняння одержимо диференціальне першого порядку
;
– рівняння з відокремленими змінними, інтегруємо
;
.
Підставимо замість її значення і одержимо диференціальне першого порядку відносно шуканої функції .
, інтегруємо і маємо ; – довільні сталі.
Звідси, – загальний розв’язок рівняння.