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医学数学模型中可积的非线性常微分方程的构造

2022-07-28
来源:求医网
摘要为适应医学数学模型构造可积的非线性常微分方程,在应用双变换构造方程的同时,详尽地论述了它的求解步骤,并隐含了可积的非线性常微分方程的求解方法。

中图分类号: O 175.14文献标识码: A

文章编号:1004-4337(2000)04-0289-03

定理1若给条件组

其中,p、Q∈C,f、g、ω∈c,n为正整数,且n≠0、1,则可构造出可积的Bernoulli(伯努利)型微分方程:

f(x)ω(y)y+[P(G(x))G(x)f(x)+f(x)]ω(y)

=Q(G(x))G(x)[f(x)ω(y)+g(x)]n-P(G(x)G(x)g(x)-g(x)(3)

且它的通积分为:

(4)

这里t=G(x),c为任意常数。

证明我们只需将双变换(2)代入可积的Bernoulli方程(1)中,经整理,即可构造出可积的Bernoulli型微分方程(3)。

反过来,先将Bernoulli型方程(3)变形为:

(5)

再作双变换:

u(t)=f(x)ω(y)+g(x), t=G(x)(6)

此时(5)变形为:

这已是可积的Bernoulli方法,因它的通解为:

(7)

再由双变换(6)与(7),即得(3)的通积分为(4)。

注:很明显,定理1的后一部分是文献[1]中Bernoulli方程的推广。

定理2若给定条件组

其中,ω、f、g、φ、G∈c,且ω(y)≠const,G(x)≠0,a≠0,n≠1,则可构造出可积的Clairaut(克莱罗)型微分方程:

(10)

且其参数式通积分为:

这里

这里p为参数,c为任意常数。

证明由文献[2]的推论点2.3,可知(8)为可积的Clairaut型微分方程,因此将双变换(9)代入(8),经整理,即可构造出可积的Clairaut型微分方程(10)。

反过来,先将Clairaut型方程(10)变形为:

(13)

作双变换:

η(ζ)=f(x)ω(y)+g(x),ζ=G(x)(14)

此时(13)变形为:

η=ζη+aζnφ(η')(15)

这已是文献[2]中推论2.3研究的可积的Clairaut型方程,知它的参数式通解为:

其中,

这里p为参数,c为任意常数。

再利用双变换(14),即得(10)的参数式通积分为(11),(12)。

注:定理2中的后一部分,当G(x)=x,f(x)≡1,ω(y)视为f(x)时,即是文献[2]定理2.2所研究的情形。

定理3若给定条件组

其中p、q∈c,ω、G∈c,q≠0,m、n为非零常数,则可构造出可积的Riccati(黎卡提)型微分方程:

ω’(y)y+p(x)ω(y)=q(G(x)G(x)e∫pG(x)dG(x)-∫p(x)dx{me2∫p(x)dt[ω(y)]2+n}(18)

且其通积分为:

①当mn>0时

(19)

②当mn<0时

(20)

其中,c1、c2为任意常数

证明由文献[3]定理4的证明中知(16)是可积的特殊的Riccati方程,因而将(17)代入(16)整理后,即可构造出可积的Riccati型方法(18)。

反过来,先将Riccati型方程(18)变形为:

(21)

作双变换:

u(t)=e∫p(t)dtω(y),t=G(x)(22)

方程(21)变形为:

(23)

由文献[3]定理四的证明中知(23)的通积分为:

① 当mn>0时,有

② 当mn<0时,有

再利用双变换(22),即可得到方程(18)的通积分为(19)与(20)。

注:定理3的后一部分,当G(x)=φ,视ω(y)为y时,即是文献[3]中定理4研究的情形。

定理4若给定条件组

其中,G∈cn-1,f、ω、φ∈cn,G≠0,f≠0,ω≠const,ai=const,i=1,2,3……,n,且约定a0=1,则可构造出可积的n阶微分方程:

(26)

它可经双变换(25),化为可积的常系数线性微分方程(24)。

证明将(25)代入可积的高阶常系数线性微分方程(24),即可构造出可积的高阶变系数非线性微分方程(26)。

反过来,应用双变换:

u(t)=f(x)ω(y)+φ(x),t=∫G(x)dx(27)

(28)

将(28)代入(26)可得(29)

(29)已是可积的n阶常数系数线性微分方程。再由双变换(27),可知n阶变系数非线性微分方程(26)可积。

当定理4中的n=4时,并由(28)可得

推论若给定条件组

其中,G∈c3,f、ω、φ∈c4,f=f(x)≠0,φ=φ(x)≠0,G=G(x),ω(y)≠const,au=const,i=1,2,3,4,则可构造出可积的四阶变系数非线性微分方程:

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