常微分方程积分因子法.doc

5 积分因子法本节再来讨论1剩下的没有解决的第三个问题.即当方程 不满足条件时，有什么办法能把它变为恰当方程呢？由一阶微分的形式不变性，易见变量代换发在这里是无能为力的.但在2对变量分离方程 ，虽然一般来说它不是恰当方程，然而用乘方程两侧，就得到一个恰当方程 .由以上作法我们得到启示，分离变量法可以推广而成为对方程能够适用的积分因子法.就是说，对一般的方程，设法寻找一个可微的非零函数，使得方程 成为恰当方程，亦即 满足这一条件的称为方程的一个积分因子.由条件，可以看出应满足方程 是一阶线性偏微分方程.对于一般的一次连续可微函数，虽然可证的解一定存在，但要想通过解方程来求积分因子，从而得到方程的解，将比求解本身更困难.然而，在若干特殊情形中，利用去寻求的积分因子却是可行的.也就是说，为我们提供了寻求特殊形式的积分因子的一个途径.例如，对于方程，如果存在只与有关的积分因子，则，这时变成 ，或者 由此可知，要有解，其充要条件是： 即与无关.当此条件满足时，便可由式求得方程的一个积分因子 把上面的讨论用定理的形式写出即为定理4 微分方程有一个只依赖于的积分因子的充要条件是：表达式只依赖于，而与无关；而且由所确定的函数是方程的一个积分因子.同理，可以得到如下平行的结果.定理5 微分方程有一个只依赖于的积分因子的充要条件是：表达式 只依赖于，而与无关；而且此时函数是方程的一个积分因子.例1 求解微分方程 解 这里，因此原方程不是恰当方程，由于 ，于是由定理4知，原方程有积分因子.将它乘式，得到一个恰当方程，由此可求得通积分.值得注意的是，同一个微分方程可以有许多积分因子，例如这么一个简单的微分方程，由于，.于是等都是这个微分方程的积分因子.由此再来看上面的例1，将式的左端分成两组：.其中第二组由上述讨论知，有积分因子，若同时考虑到第一组，则是两组的公共的积分因子，从而是方程的积分因子.为了使这种分组求积分因子的方法一般化，给出下面的有关积分因子的一个性质定理.定理6 若是方程的一个积分因子，使得 则也是的积分因子，其中是任一可微的非零函数.证明 ，所以也是的积分因子.下面就介绍分组求积分因子法.设将方程的左端分成两组，即写成：，其中第一组和第二组各有积分因子和，使得：，.由定理6，对任意可微函数和，是第一组的积分因子，是第二组的积分因子.如果能够找到适当的和，使得，那么也就是原方程的积分因子.例2 求解微分方程 解 把方程改写为 不难看出，前一组有积分因子和通积分，故它有更一般的积分因子，前一组有积分因子和通积分，故它有更一般的积分因子.为使关系式成立，可取，.从而得到原方程的积分因子，以它乘方程的两端，得到，积分即得通解.此外，原方程还有解和，它们是在用乘方程的两端时丢掉的.例3 讨论齐次方程 的积分因子，其中都是的次齐次函数，且一次连续可微.解 由4知道，变换能把变为变量分离的方程.事实上，由于，的齐次性可知成立：，.此外，还有，一起代入式，得：.要把它变为恰当方程，只需在等式两边乘以积分因子.本章关于一阶微分方程的初等积分法基本上可以分为两类：一类方法的基础是变量分离的方程，方法的特点是将所考虑的方程通过适当的变量代换化为变量分离的方程.令一类方法的基础是恰当方程，方发的特点是，寻找适当的积分因子，将所给的方程化为恰当方程.熟悉各种类型方程的解法，正确而又迅速地判断一个给定的方程属于何种类型，从而按照所属类型的方法求解，这是最基本的要求.但是一般我们所遇到的方程未必