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参数表示法

当一阶方程不易直接解出 y′y' 或不易用 y=f(x)y = f(x) 表示时,可引入参数 tt,将解表示为参数形式:

x=φ(t),y=ψ(t)x = \varphi(t), \quad y = \psi(t)

这是处理某些特殊类型方程(如 Clairaut 方程、可解出 xx 或 yy 的隐式方程)的标准方法。

可解出 yy 的隐式方程​

标准形式​

y=f(x,y′)y = f(x, y')

方程右端显含 y′y',不便直接求解。

解法​

令 p=y′p = y',则 y=f(x,p)y = f(x, p)。两边对 xx 求导:

dydx=∂f∂x+∂f∂p⋅dpdx\frac{dy}{dx} = \frac{\partial f}{\partial x} + \frac{\partial f}{\partial p} \cdot \frac{dp}{dx}

而 dydx=p\dfrac{dy}{dx} = p,故:

p=fx+fp⋅dpdxp = f_x + f_p \cdot \frac{dp}{dx}

这是关于 xx 和 pp 的一阶方程。若能解出 p=p(x)p = p(x),则代入 y=f(x,p)y = f(x, p) 得解。

若能解得 x=φ(p)x = \varphi(p),则得到参数表示:

{x=φ(p)y=f(φ(p),p)\begin{cases} x = \varphi(p) \\ y = f(\varphi(p), p) \end{cases}

其中 pp 为参数。

可解出 xx 的隐式方程​

标准形式​

x=g(y,y′)x = g(y, y')

解法​

令 p=y′p = y',则 x=g(y,p)x = g(y, p)。两边对 yy 求导,注意 dxdy=1p\dfrac{dx}{dy} = \dfrac{1}{p}:

1p=∂g∂y+∂g∂p⋅dpdy\frac{1}{p} = \frac{\partial g}{\partial y} + \frac{\partial g}{\partial p} \cdot \frac{dp}{dy}

化为关于 yy 和 pp 的一阶方程。解出 p=p(y)p = p(y) 后代回得解;或得参数表示 y=ψ(p),x=g(ψ(p),p)y = \psi(p), x = g(\psi(p), p)。

Clairaut 方程​

标准形式​

y=xy′+f(y′)y = x y' + f(y')

这是可解出 yy 的特殊情况,其中 y=xp+f(p)y = xp + f(p)。

解法​

令 p=y′p = y',则 y=xp+f(p)y = xp + f(p)。两边对 xx 求导:

p=p+xdpdx+f′(p)dpdxp = p + x\frac{dp}{dx} + f'(p)\frac{dp}{dx}

化简:

[x+f′(p)]dpdx=0\left[x + f'(p)\right]\frac{dp}{dx} = 0

两种情况:

情形一:dpdx=0⇒p=C\dfrac{dp}{dx} = 0 \Rightarrow p = C(常数)。

代回 y=xp+f(p)y = xp + f(p) 得通解:

y=Cx+f(C)y = Cx + f(C)

这是一族直线。

情形二:x+f′(p)=0⇒x=−f′(p)x + f'(p) = 0 \Rightarrow x = -f'(p)。

得到奇解(参数形式):

{x=−f′(p)y=−pf′(p)+f(p)\begin{cases} x = -f'(p) \\[4pt] y = -p f'(p) + f(p) \end{cases}

奇解是通解直线族的包络线。

举例​

求解 y=xy′+1y′y = xy' + \dfrac{1}{y'}(f(p)=1pf(p) = \dfrac{1}{p})。

通解:y=Cx+1Cy = Cx + \dfrac{1}{C}。

奇解:x=−f′(p)=1p2x = -f'(p) = \dfrac{1}{p^2},y=−p⋅(−1p2)+1p=2py = -p \cdot \left(-\dfrac{1}{p^2}\right) + \dfrac{1}{p} = \dfrac{2}{p}。

消去 pp:由 p=2yp = \dfrac{2}{y},x=y24x = \dfrac{y^2}{4},即 y2=4xy^2 = 4x。

通解直线族 y=Cx+1/Cy = Cx + 1/C 和奇解抛物线 y2=4xy^2 = 4x。可以验证奇解是通解的包络线。

不显含 xx 或 yy 的方程的参数化​

不显含 yy:F(x,y′)=0F(x, y') = 0​

若能解出 y′=φ(x)y' = \varphi(x),则直接积分。若不便解出,引入参数 tt:

设 y′=ψ(t)y' = \psi(t)(适当选取),则 xx 由 F(x,ψ(t))=0F(x, \psi(t)) = 0 解出 x=φ(t)x = \varphi(t)。再由 dy=y′dx=ψ(t)φ′(t)dtdy = y' dx = \psi(t) \varphi'(t) dt 得:

y=∫ψ(t)φ′(t)dt+Cy = \int \psi(t) \varphi'(t) dt + C

得参数解 (x,y)=(φ(t),∫ψφ′dt+C)(x, y) = (\varphi(t), \int \psi\varphi' dt + C)。

不显含 xx:F(y,y′)=0F(y, y') = 0​

类似地,设 y′=ψ(t)y' = \psi(t),yy 由 F(y,ψ(t))=0F(y, \psi(t)) = 0 解出 y=ω(t)y = \omega(t),再由 dx=dy/y′dx = dy / y' 得 xx。

举例​

求解 x=(y′)3+y′x = (y')^3 + y'。

这是可解出 xx 的隐式方程:x=p3+px = p^3 + p(p=y′p = y')。

对 yy 求导:dxdy=1p=(3p2+1)⋅dpdy\dfrac{dx}{dy} = \dfrac{1}{p} = (3p^2 + 1) \cdot \dfrac{dp}{dy}。

dpdy⋅p(3p2+1)=1⟹dydp=p(3p2+1)\frac{dp}{dy} \cdot p (3p^2 + 1) = 1 \quad\Longrightarrow\quad \frac{dy}{dp} = p(3p^2 + 1)

y=∫p(3p2+1)dp=34p4+12p2+Cy = \int p(3p^2 + 1) dp = \frac{3}{4}p^4 + \frac{1}{2}p^2 + C

参数解:

{x=p3+py=34p4+12p2+C\begin{cases} x = p^3 + p \\[4pt] y = \dfrac{3}{4}p^4 + \dfrac{1}{2}p^2 + C \end{cases}

方法总结​

方程类型方法参数化步骤
y=f(x,y′)y = f(x, y')令 p=y′p = y',对 xx 求导x=φ(p)x = \varphi(p),y=f(φ(p),p)y = f(\varphi(p), p)
x=g(y,y′)x = g(y, y')令 p=y′p = y',对 yy 求导y=ψ(p)y = \psi(p),x=g(ψ(p),p)x = g(\psi(p), p)
Clairaut:y=xy′+f(y′)y = xy' + f(y')dpdx=0\frac{dp}{dx}=0 或 x+f′(p)=0x+f'(p)=0通解 y=Cx+f(C)y=Cx+f(C),奇解 (−f′(p),−pf′(p)+f(p))( -f'(p), -p f'(p)+f(p) )
F(x,y′)=0F(x, y') = 0设 y′=ψ(t)y' = \psi(t),解 xxx=φ(t)x = \varphi(t),y=∫ψφ′dt+Cy = \int \psi \varphi' dt + C
F(y,y′)=0F(y, y') = 0设 y′=ψ(t)y' = \psi(t),解 yyy=ω(t)y = \omega(t),x=∫ω′/ψ dt+Cx = \int \omega'/\psi \, dt + C