Уравнения высших порядков, допускающие понижение порядка

Аналитический аппарат решения уравнений высшего порядка достаточно хорошо разработан для линейных уравнений. Нелинейные уравнения можно аналитически решить только, если удается понизить порядок уравнения до первого. Но понизить порядок уравнения возможно в следующих случаях.

Таблица 2.

Дифференциальные уравнения высших порядков, допускающие понижение порядка

Вид уравнения	Особенности	Решение
1.	Отсутствие в уравнении самой искомой функции и ее производных до (n-1) порядка включительно	Последовательное n –кратное интегрирование
2. F(x,y(k), y(k+1),… y(n)) = 0	отсутствие в уравнении самой искомой функции и ее младших производных до (k-1) порядка включительно	подстановка y(k) = z(x) допускает понижение порядка на k единиц
3. F(y, y’, y’’) = 0	отсутствие в нем в явном виде независимой переменной х	Порядок ур-ия можно понизить до первого подстановкой .

4.2.1 Решение уравнений вида y⁽ⁿ⁾ = f(x)

Отличительной особенностью такого ур-ия является отсутствие в нем в явном виде самой искомой ф-ции у ии ее производных до (n-1) порядка включительно. Решение такого ур-ия находится путем последовательного интегрирования.

Пример 1. Найти общее решение ур-ия .

Последовательным интегрированием находим

4.2.2 Решение уравнений вида F(x,y^(k), y^(k+1),… y⁽ⁿ⁾) = 0

Отличительной особенностью такого ур-ия является отсутствие в нем самой ф-ции у и ее младших производных до (k-1) порядка включительно. Такое ур-ие допускает понижение порядка на k единиц при помощи подстановки y^(k) = z(x).

Пример 1. Найти общее решение ур-ия .

Уравнение второго порядка не содержит в явном виде ф-цию у. Воспользуемся подстановкой , тогда . Получаем ур-ие первого порядка относительно ф-ции z(x): . Это ур-ие допускает разделение переменных

.

Находим ф-цию у(х). Т.к. =С₁ lnx, то

. Это и есть общее решенин ур-ия.

Пример 2. Найти частное решение ур-ия .

Получим сначала общее решение. Данное ур-ие – ур-ие второго порядка, которое не содержит в явном виде ф-цию у. Решим его.

.

Разделим на х³ и получим линейное ур-ие . Решим его.

. Следовательно .

Общее решение .

Найдем частное решение ур-ия .

Частное решение .

4.2.3 Решение уравнений вида F(y, y^’, y^’’) = 0

Характерной особенностью такого ур-ия является отсутствие в нем в явном виде независимой переменной х. Порядок ур-ия можно понизить до первого подстановкой

.

Пример 1. Найти общее решение ур-ия .

1)

2)

Это общий интеграл дифференциального ур-ия.

Пример 2. Решить задачу Коши

т.к. то находим С₁ .

.