Как решить однородное дифференциальное уравнение?

Функцию «игрек» необходимо заменить произведением некоторой функции (тоже зависящей от «икс») и «икса»:

Выясняем, во что превратится производная при такой замене, используем правило дифференцирования произведения. Если , то:

Подставляем и в исходное уравнение :

Что даст такая замена? После данной замены и проведенных упрощений мы гарантировано получим уравнение с разделяющимися переменными. Еще раз подчеркиваю, для ЛЮБОГО однородного уравнения нужно провести одну и ту же замену: строго и, соответственно, строго .

После подстановки проводим максимальные упрощения уравнения:

Далее алгоритм работает по накатанной колее уравнения с разделяющимися переменными.

Если – это функция, зависящая от «икс», то .
Таким образом:

Разделяем переменные, при этом в левой части нужно собрать только «тэ», а в правой части – только «иксы»:

Переменные разделены, интегрируем:


После того, как уравнение проинтегрировано, нужно провести обратную замену, она тоже стандартна и единственна:
Если , то
В данном случае:

Ответ: общий интеграл:

Почему почти всегда ответ однородного уравнения даётся в виде общего интеграла?
В большинстве случаев невозможно выразить «игрек» в явном виде (получить общее решение), а если и возможно, то чаще всего общее решение получается громоздким и ужасно корявым.

Так, например, в рассмотренном примере, общее решение получить можно:

– общее решение.

Это не ошибка, но в «хорошем» стиле общий интеграл принято записывать в виде . Для этого сразу после интегрирования уравнения, константу следует записать без всякого логарифма (вот и исключение из правила!):

И после обратной замены получить общий интеграл в «классическом» виде:

Пример 2

Проверить уравнение на однородность и найти его общий интеграл. Выполнить проверку.

Пример 3

Решить дифференциальное уравнение

Решение: проверим уравнение на однородность, для этого в исходное уравнение вместо подставим , а вместо подставим :

Все лямбды сократились, и получилось исходное уравнение, значит, данное ДУ является однородным.

Проведем стандартную замену:

Подставим и в исходное уравнение:

После подстановки результат стремимся максимально упростить:

Разделяем переменные и интегрируем:

Общий интеграл получен, теперь его нужно довести его до ума. Перед тем как выполнять обратную замену , рекомендую снова максимально упростить полученное выражение.

Упрощаем дальше:

Вот теперь обратная замена:

Под корнем нужно привести слагаемые к общему знаменателю и вынести из-под корня всё, что можно. Эти действия часто приходится выполнять в ходе решения однородного уравнения, запомните их:

Ответ: общий интеграл:

Пример 4

Выполнить проверку на однородность и решить дифференциальное уравнение

Вот здесь проверка общего интеграла будет не очень сложной. Полное решение и ответ в конце урока.

Рассмотрим пару примеров, когда однородное уравнение задано с готовыми дифференциалами.

Пример 5

Решить дифференциальное уравнение

Решение будем привыкать оформлять компактнее. В чистовом оформлении работы не обязательно выполнять проверку на однородность. На чистовике она гораздо чаще не проводится, чем проводится. Проверка делается на черновике или мысленно, а если вы прорешали первые 4 примера, то многие из вас однородные уравнения уже узнают «в лицо».

Таким образом, почти всегда решение начинается с записи: «Данное уравнение является однородным, проведем замену: …».

Но вернемся к нашему уравнению. В нём присутствуют дифференциалы и . Уравнение можно решить и с дифференциалами, но алгоритм решения будет немного другой, более того, значительно увеличится риск путаницы и ошибок.

Поэтому, если однородное уравнение дано в дифференциалах, то сначала нужно выразить производную , а дальше использовать уже накатанную схему решения.

Для того чтобы выразить производную, нужно каждое слагаемое разделить на :

Теперь коснёмся одного момента, который вы уже заметили в ходе решения 2-го и 4-го примеров. В дифференциальных уравнениях (и особенно это типично для однородных ДУ) некоторые решения «лежат на поверхности». Чаще всего, это очевидное решение . Подставим и её производную в наше уравнение (что легко сделать и устно):

Получено верное равенство, значит, функция является решением уравнения и этот факт желательно отметить при оформлении задачи. Зачем? В ходе дальнейших преобразований существует риск потерять данное решение, то есть оно может не войти в общий интеграл, как это, например, случилось в Примере №4.

Дальше всё тривиально, проведем замену:

После подстановки максимально упрощаем уравнение:

Разделяем переменные:

Интегрируем:

Интеграл левой части стандартно решается с помощью выделения полного квадрата, но в диффурах гораздо удобнее использовать метод неопределенных коэффициентов:

Используя метод неопределенных коэффициентов, разложим подынтегральную функцию в сумму элементарных дробей:


Таким образом:

Находим интегралы:

Перед обратной заменой в новорожденном общем интеграле опять упрощаем всё, что можно упростить:

Вот теперь обратная замена :

Ответ: общий интеграл:

Найденное и отмеченное ранее решение входит в общий интеграл при нулевом значении константы (опять же легко проверяется устно), поэтому его не нужно дополнительно записывать в ответ.

Кстати редкий случай, когда общее решение однородного ДУ выражается в более или менее «приличном» виде:

Ответ: общее решение:

Поиск по сайту: