Separable 可分離, Homogeneous 齊次, Exact 恰當 Equation
Content 內容:
Order and Degree 階與次
Order 階是指 dxdy 的最高階數, dxdy 是一階, dx2d2y 是二階
Degree 次是指 dxdy 最高的冪數, dxdy 是一次, dxdy2 是二次
依型態可分為:
-
Expilcit Solution 顯解
-
Implicit Solution 隱解
依意義可分為:
-
General Solution 通解
-
Particular Solution 特解
-
Singular Solution 奇異解
Separable Equation 可分離方程式 / 分離變數法
把變數分離到方程的兩邊
F(x,y,y′)=0
g(y)dy∫g(y)dy=f(x)dx=∫f(x)dx
例題 1:
xdxdyxdyy1dy∫ydylnyy=5y=5ydx=x5dx=5∫xdx=5lnx+C=Cx5
例題 2:
y′ydylnyy=ay=adx=ax+C=Ceax
例題 3:
y′+ay+bdyy+abdyln(y+ab)y=0, where a=0=−(ay+b)dx=−adx=−ax+C=Ce−ax−ab
Homogeneous Equations 齊次方程式
若 f(λx,λy)=λmf(x,y) ,則稱 f(x,y) 為 m 次齊次
若一階微分方程式可以以下形式表示:
M(x,y)dx+N(x,y)dy=0
當中 M(x,y) N(x,y) 為同次齊次,則稱為 Homogeneous Differential Equaltions 齊次微分方程式
例題 1:
Prove f(x,y)=x3+10x2y+3xy2+y3 is homogeneous of degree 3 三次齊次函數
f(λx,λy)=(λx)3+10(λx)2(λy)+3(λx)(λy)2+(λy)3=λ3x3+10λ3x2y+3λ3xy2+λ3y3=λ3f(x,y)
若果微分方程不能以 可分離方程式 / 分離變數法 求解
但本身為齊次微分方程式 ,即 M(x,y)dx+N(x,y)dy=0
這種形式的方程可經過代換成為可分離 ,做法如下:
dx 前面的函數 M(x,y) 較簡單, Let x=vy,dx=vdy+ydv
dy 前面的函數 N(x,y) 較簡單, Let y=ux,dy=udx+xdu
例題 2:
求解 ydx=(2x+y)dy
Let x=vy,dx=vdy+ydv,v=yx
y(vdy+ydv)vdy+ydvydvv+1dvln(v+1)v+1yx+1y+x=(2vy+y)dy=(2v+1)dy=(v+1)dy=ydy=lny+C=Cy=Cy=Cy2
Exact Equations 恰當方程式
對於 M(x,y)dx+N(x,y)dy=0
若 ∂y∂M=∂x∂N ,稱為 Exact 恰當
則存在 Potential Function 位勢函數 F(x,y),當中:
∂F=∂x∂Fdx+∂y∂Fdy
∂x∂FF∂y∂FN=M=∫Mdx+k(y)=∂y∂[∫Mdx+k(y)]=∂y∂[∫Mdx+k(y)]∂y∂FF∂x∂FM=N=∫Ndy+k(x)=∂x∂[∫Ndy+k(x)]=∂x∂[∫Ndy+k(x)]
而 F=C 是微分方程式的解
例題 1:
解 xy′+y+4=0
改寫為 M(x,y)dx+N(x,y)dy=0 的形式
(y+4)dx+xdyM(x,y)N(x,y)=0=y+4=x
Since ∂y∂M=1=∂x∂N,It is exact
Method 1 (Use M(x,y) first, then N(x,y) ):
F(x,y)Since ∂y∂F∂y∂[x(y+4)+k(y)]x+k′(y)k′(y)k(y)F(x,y)Solution is F(x,y)x(y+4)=∫M(x,y)dx+k(y)=∫(y+4)dx+k(y)=x(y+4)+k(y)=N=x=x=0=C=x(y+4)+C=C=C
Method 2 (Use N(x,y) first, then M(x,y) ):
F(x,y)Since ∂x∂F∂x∂[xy+k(x)]y+k′(x)k′(x)k(x)F(x,y)Solution is F(x,y)xy+4xx(y+4)=∫N(x,y)dy+k(x)=∫xdy+k(x)=xy+k(x)=M=y+4=y+4=4=4x+C=xy+4x+C=C=C=C
有另一個比較方便的公式
∫axM(x,y)dx+∫byN(a,y)dy=C
注意是 N(a,y) 而不是 N(x,y)
以下公式推導:
F(x,y)∂y∂F∂y∂FN(x,y)∂y∂MN(x,y)N(x,y)k′(y)k(y)=∫axM(x,y)dx+k(y)=∂y∂[∫axM(x,y)dx]+k′(y)=N=∫ax∂y∂M(x,y)dx+k′(y)=∂x∂N=∫ax∂x∂N(x,y)dx+k′(y)=N(x,y)−N(a,y)+k′(y)=N(a,y)=∫byN(a,y)dy