常微分方程——奇解与包络

1.包络(envelope)

曲线的包络:是指本身并不包含在在曲线族中,但过这条曲线上的每一点,有曲线族中的一条曲线与其在此点相切。

在几何学上,这种特殊的积分曲线称为上述积分曲线族的包络(envelope)

常微分方程——奇解与包络

例如,直线y=0即为曲线族y=(x+c)^2(c为任意常数)的包络。

注:并不是每个曲线族都有包络

单参数曲线族:x^2+y^2=c^2

表示一组同心圆,不存在满足条件的曲线。

常微分方程——奇解与包络

2.奇解(singular solution)

在某些微分方程中,存在一条特殊的积分曲线,它并不属于这个方程的积分曲线族,但在这条特殊的积分曲线上的每一点处,都有积分曲线中的一条曲线与其在此点相切。这条特殊的积分曲线所对应的解成为方程的奇解。

也可以说,对于方程F(x,y,y')=0的某个解,在它所对应的积分曲线上的每点处都不满足存在唯一性定理的条件,即解的唯一性被破坏,(例如若某微分方程的通解为y=(x+c)^2(c为任意常数),在(0,0)处会有y=0与y=x^2两个解,唯一性被破坏)

3.奇解与包络的关系

一阶微分方程的通解的包络(如果它存在的话) 一定是奇解;

反之,微分方程的奇解(若存在的话)也是微分 方程的通解的包络。

当然奇解还有通过破坏解的唯一性来解释的,但这样太强微分方程调解的唯一性遭到破坏,这样奇解的定义就不需要和几何上曲线族的包络有太多联系。不会因为包络的定义的不同导致不同的结果。

求微分方程的奇解

(i) 可以先求出它的通解; (ii) 求通解的包络。

4.奇解(包络线)的求法

(1)C-判别曲线法

设一阶微分方程F(x,y,y')=0的通解为常微分方程——奇解与包络(曲线族).

通积分作为曲线族的包络线(奇解)包含在下列方程组(1)

常微分方程——奇解与包络消去c而得到的曲线中。

证明:

必要性:设曲线族常微分方程——奇解与包络的包络的参数方程为

常微分方程——奇解与包络

参数c所对应的点在曲线常微分方程——奇解与包络,所以有常微分方程——奇解与包络.

对c求导有

常微分方程——奇解与包络

在点(x(c),y(c))处,包络的切线与曲线族中曲线常微分方程——奇解与包络的切线相切,

所以有常微分方程——奇解与包络

反之,设方程组(1)确定的曲线为x=x(c),y=y(c),且沿着这条曲线有常微分方程——奇解与包络则这条曲线一定是曲线族的包络。

充分性:有方程组(1)成立,我们可以推出常微分方程——奇解与包络

由于常微分方程——奇解与包络,不妨设常微分方程——奇解与包络,那么有常微分方程——奇解与包络

所以参数方程x=x(c),y=y(c),与常微分方程——奇解与包络相切。

从而参数方程即为常微分方程——奇解与包络的包络,即方程F(x,y,y')=0的奇解。

我们把方程组(1)消去c得到的曲线称为曲线族常微分方程——奇解与包络的c判别曲线。

注意,包络一定包含在c-判别曲线中,但c-判别曲线不一定为包络,当不满足常微分方程——奇解与包络时。

 

(2)p判别曲线法

由存在唯一性定理,设F(x,y,y')关于x,y,y'连续可微,那么只要满足常微分方程——奇解与包络就能保证解的唯一性,由于奇解是破坏解的唯一性,奇解若存在的必须满足常微分方程——奇解与包络

所以有对于方程F(x,y,y')=0的奇解包含在方程组常微分方程——奇解与包络中,消去y'后得到的一条曲线。此曲线称为方程的p判别曲线,是否为方程奇解,还需进一步检验。

(3)c-p判别法

对方程分别求p判别曲线和c判别曲线,取他们的公因式曲线,这个公共因式一般就是方程的奇解。

5.对于克莱罗方程的奇解

形如 y=xp+f (p) 的方程,称为克莱罗方程,其他p=dy/dx,f(p)是p的连续可微函数。

两边对x积分可得,常微分方程——奇解与包络,即常微分方程——奇解与包络

当dp/dx=0时,p=c,可以直接求得方程通解为y=cx+f(c),c为任意常数,然后按照c-判别法求其奇解;

当x+f'(p)=0,与y=xp+f(p)可以消去p得到方程的另一个解,可验证此解为通解的包络,即方程的奇解。