克萊羅方程

克萊羅方程

克萊羅方程(Clairaut equation)是一類通解有包絡結構的特殊的一階微分方程,它的一般形式為:y=xp+f(p),其中p=dy/dx。克萊羅方程的通解具有形式:y=Cx+φ(C)(直線族),此外存在奇解(包絡),其中奇解可以通過方程組:x=-φ'(p),y=px+φ(p) 消去參數 p 而得到;克萊羅方程的通解可以通過令 p=c (任意常數),代入原方程中而求得。此外,拉格朗日方程是克萊羅方程的特殊情形。

定義

克萊羅方程 克萊羅方程

形如 的方程,稱為克萊羅微分方程,這裡 f 是連續可微函式。

克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程

克萊羅方程的通解具有形式:(直線族),此外存在奇解(包絡),其中奇解可以通過方程組:消去參數 p 而得到。

方程求解

方程的通解

克萊羅方程 克萊羅方程

克萊羅方程的通解可以通過令(任意常數),代入原方程中求得。

具體求解步驟

克萊羅方程 克萊羅方程

已知方程:,

克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程

對上式左右兩端同時對 x 求導,並令,可得:;

克萊羅方程 克萊羅方程

即有:。

克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程

(1)如果,則得到,將其代入到式子中可得:,其中 c 為任意常數,這就是原方程的解。

克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程

(2)如果 ,則將該式與原方程聯立,得到方程組: ,消去 p 則得到方程的一個解。求此解的過程與求包絡的過程是一致的。不難驗證,此解正是通解的包絡。由此,克萊羅微分方程的通解為一直線族,即在原方程中以 c 代 p,且此直線族的包絡是方程的奇解。

典例

例1

克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程

求解方程 ,其中 。

克萊羅方程 克萊羅方程

解:這是克萊羅方程,因而易得其通解為,

克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程

從方程組 中消去 c,得到奇解:。

方程的通解是直線族,而奇解是通解的包絡。

例2

克萊羅方程 克萊羅方程

解方程 。

克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程

解:令 ,則有。

克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程

微分後,以代替,我們得到:或者。

克萊羅方程 克萊羅方程

求解這個線性方程後,我們有: 。

克萊羅方程 克萊羅方程

因此,得到:,

克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程

為了求出奇積分,按照一般規則做出方程組: , ,

克萊羅方程 克萊羅方程
克萊羅方程 克萊羅方程

由此得到: ,。

克萊羅方程 克萊羅方程

所以有:。

把 y 代入原方程,可知得到的函式並不是解,因此原方程沒有奇積分。

相關詞條

相關搜尋

熱門詞條

聯絡我們