微分方程奇解研究

微分方程奇解研究

摘要：该文章我们主要讨论的是常微分方程奇解的求法。一个常微分方程有没有它的奇解，有了奇解怎么求是该文章的主要目的。在这里我们讨论不存在奇解的判别法。如果方程有了它的奇解，一般有五种方法可以求它的奇解，即自然法，拾遗法，C -判别曲线(C-消去法)，P-判别曲线（P-消去法），C-P判别法。我们最常用的，方便的方法是后面的三个，在这里对这三个方法进行详细的讨论。

关键词：奇解；判别式；包络线

Studing on singular solution of DE

Abstract: This article mainly discussed ordinary differential equation, the solution is also given. A differential equation whether exits solution, a singular how to find the solution is the main purpose of the article. Here we discuss the discriminant method does not exist. If equation with it's singular solution, generally have five methods can find it's the solution, namely natural law, method of poems, C-discriminant curve (C-elimination technique), P-discriminant curve (P-elimination technique), C-P discriminant method. The most commonly used, convenient method is the back of the three, in here to the three methods are discussed in detail.

Key words: Singular solution; discriminant; envelope

前言

我们看到对某些微分方程，存在一条特殊的积分曲线，它并不属于这方程的积分曲线族。 但是，在这条特殊的积分曲线上的每一点处，都有积分曲线族中的一条曲线和它在此点相切。在几何学上，这条特殊的积分曲线称为上述积分曲线族的包络。在微分方程里，这条特殊的积分曲线所对应的解称为方程的奇解。若一个微分方程它有奇解，那我们怎么求它的奇解是该文章主要讨论的问题。 1 奇解的基本概念与性质

1.1奇解的定义

设一阶隐式方程),,(,y y x F =0有一特解

)(:x y ψ=Γ，j x ∈

如果对每一点Γ∈P ，在P 点的任何一个领域内，方程),,(,y y x F =0都有一个不同于Γ的解在P 点与Γ相切，则称Γ是微分方程的),,(,y y x F =0的奇解。

定义：如果一个一阶微分方程的一个特解的积分曲线上的每一点都至少和这个微分方程的不同的积分曲线相切，并且这相切的积分曲线在切点的任何邻域内都不重合，则称这个特解为这个微分方程的奇解。

1.2奇解产生的必要条件

先看一个例子，求方程

023

=-⎪⎭

⎫ ⎝⎛y dx dy （1） 或与它等价的方程 32y dx dy = 的解。

经分离变量后，可得（1）的通解

3)(27

1c x y += 容易看出，y=0也是原方程的一个解。

现在来研究这个解y=0有什么特殊的地方。由图我们看到，在解y=0上的每一点)0,(0x 处相切，这种特殊的积分曲线y=0称为奇积分曲线，他所对应的解就是奇解，这就是奇解的产生。

1.3奇解的一般求法

自然法:找出方程不满足唯一性条件的点集合L ，例如{(,)|

}f L x y y ∂==∞∂，再验证它是否是奇解。

拾遗法:在求通解过程中，方程两边约去的不含导数的因式，令其为零，可能得到奇解。

1.4奇解的基本性质

性质１ 设),,(p y x F 及其各一阶偏导数是),,(p y x 的连续函数，若方程),,(dx

dy y x F 有奇积分曲线，则它必包含在P-判别曲线0),,(=y x ϕ之中。 性质２ 从定义知道，一阶微分方程的通解的包络一定是奇解；反之，微分方程的奇解（若存在的话）也是微分方程通解的包络。

性质３ 设),,(c y x Φ及其各一阶偏导数是连续函数，若),,(c y x Φ=0有包络，并且该包络是一条连续曲线，且有连续转动的切线，则它必包含在C-判别曲线0),(=y x ϕ之中。

2 包络的求法

我们现在给出曲线族包络的定义：

某些微分方程，存在一些特殊的积分曲线，会存在一些特殊的积分曲线，他并不属于这方程的积分曲线族，但是，在这些特殊的积分曲线上的每一点处，都有积分曲线族中的一条曲线和他在此处相切。在几何学里，这些特殊的积分曲线称为上述积分曲线族的包络，在微分方程里，这些特殊的积分曲线所对应的解酒称为方程的奇解。

设给定单参数曲线族

0),,(=Φc y x （1）

其中c 是参数，),,(c y x Φ是x,y,c 连续可微函数。曲线族（1）的包络是指这样的曲线，他本身并不包含在曲线族（1）中，但过这曲线的每一点，有曲线族（1）中的一条曲线和他在这点相切。

例如，单参数曲线族

222)(R y c x =+-

（这里的R 是常数，C 是参数）表示圆心为（C ，0）而半径为R 的一族圆，此曲线族显然有包络

y=R 和 y=-R

（见图1）

2.1包络跟奇解的关系

由奇解和包络的定义显然可知，若方程0),,(,=y y x F 的积分曲线族（即通解所对应的曲线族）的包络如果存在，则必定是方程0),,(,=y y x F 的奇解。事实上，在积分曲线族包络上的点（x,y ）处的x,y 和,y （斜率）的值和在该点与包络相切的积分曲线上的x,y 和,y 满足方程0),,(,=y y x F 。这就是说，包络是积分曲线。其次，在包络的每一点，积分曲线族中都至少有一条曲线与包络相切。因此，包络是奇解，由此可知，如果知道了微分方程0),,(,=y y x F 的通积分，那么该通积分的包络就是奇解。但是，一般的曲线族并不一定有包络，例如同心圆族、平行直线族都是没有包络的，从而我们引出了C-判别曲线与P-判别曲线：

2.2 P-判别曲线

2.2.1 P-判别曲线的充分条件

假设)p ,,(y x F 是一个二阶连续微分方程，如果积分曲线)x (y ϕ=是P-判别曲线，且满足下列方程：

0),,(y ≠''ϕϕx F ，0),,(pp ≠'"ϕϕx F

那么)x (y ϕ=是方程0)y ,,(='y x F 的奇解，且p y ='。

2.2.2 P-判别曲线的必要条件