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定理7.2的证明有一定的难度,而且它已超出一般常微分方程大纲的范围.因此,我们把它放在7.4节,供有兴趣的读者参考.
下面我们举例说明定理7.2的一个应用.
考虑微分方程(7.30)它的p判别式为消去p,即得y=0.易知y=0是微分方程(7.30)的解,而且满足条件式(7.28)和(7.29),即例7.6求微分方程的奇解.解所以它的特解y=±1可能破毁解的唯一性,它可能是奇解.由分离变量法,求得方程的通解是 7.3包络
本节将采用微分几何学中有关曲线族的包络的概念阐明奇解与通解之间的联系,以及讨论寻求奇解的方法.
设单参数C的曲线族(7.31)定理7.3设微分方程(7.32)有通积分为又设(积分)曲线族式(7.33)有包络为则包络y=φ(x)是常微分方程(7.32)的奇解.证明根据奇解和包络的定义,我们只需要证明Γ是微分方程(7.32)的解.
在Γ上任取一点(x0,y0),其中y0=φ(x0).则由包络的定义可知,曲线族式(7.33)中有一条曲线y=u(x,C0)在(x0,y0)点与y=φ(x)相切,即因为y=u(x,C0)是微分方程(7.32)的一个解,所以因此,F[x0,φ(x0),φ′(x0)]=0.因为x0∈J是任意给定的,所以y=φ(x)是微分方程(7.32)的解.定理7.3证毕.定理7.4设Γ是曲线族式(7.31)的一支包络,则它满足如下的C判别式:(7.34)或(消去C,所得到的关系式)(7.35)证明根据包络的定义,我们可对包络Γ给出如下的参数表达式:其中C为曲线族式(7.31)的参数.因此,我们推出因为包络是连续可微的,所以我们不妨设f(C)和g(C)对C也是连续可微的.由此推出(7.37)或(7.38)成立时,则由式(7.37)推出(7.39)当式(7.38)不成立时,则有或由它与式(7.37)可推出式(7.39)成立.因此,对任何C∈I,关系式(7.36)和(7.39)同时成立.这就证明了包络Γ满足C判别式(7.34).定理7.4证毕.反之,满足C判别式的曲线未必是相应曲线族的包络(参看例7.7).下述定理给出了包络的一个充分条件.定理7.5设由曲线族式(7.31)的C判别式确定一支连续可微的曲线而且它满足非蜕化性条件:(7.40)而Λ在q(C)点的切向量为另一方面,由式(7.41)中的第一式对C求微分得到再利用式(7.41)中的第二式推出这就证明了切向量τ(C)和v(C)在q(C)点是共线的,亦即曲线族式(7.31)中有曲线ΓC在q(C)点与Λ相切.我们还需证明曲线ΓC与Λ不同.事实上,曲线Λ以C为参数,对于取定的C,它是一个点,因此它不含在曲线族式(7.31)中.综合上面的结论可知,Λ是曲线族式(7.31)的一支包络.定理7.5证毕.例7.7试求微分方程(7.42)的奇解.解首先,我们不难求出微分方程(7.42)的通积分为(7.43)其中,C为任意常数(-∞C∞).再由相应的C判别式(7.44)确定两支连续可微的曲线y=0和y=3,它们分别有如下形式的参数表达式:容易验证Λ1满足相应的非蜕化性条件式(7.40).因此,Λ1是积分曲线族式(7.43)的一支包络,从而它是微分方程(7.42)的奇解.而Λ2不满足非蜕化性条件,所以还不能由定理7.5断言Λ2是否为包络.易知Λ2并不是微分方程(7.42)的积分曲线,从而不可能是奇解.因此,由定理7.3得知,Λ2不是式(7.43)的包络.当然,我们也可以利用简单的作图直接验证这一事实.作图时须注意,在方程(7.42)中y不能取负值,而且积分曲线与直线y=3相交于(C,3)点,但二者并不相切.例7.8求解微分方程(7.45)解微分方程可写成它等价于(y′)3=y2或y′=1.由此分别求解,得到或其中,C1和C2为任意常数.不失一般性,可取C1=C2,得到方程(7.45)的通积分为(7.46)它的C判别式为由此得到易知,Λ是式(7.46)中第一个曲线族的包络.因此,y=0是奇解.注意,在(积分)曲线族式(7.46)中y=x-C与奇解y=0相交而不相切.因此,如果按照微分几何中通常对包络的定义,y=0就不是曲线族(7.46)的包络,从而不能采用求包络的方法得到这个奇解.而我们对包络的定义却避免了这个技术上的麻烦. 7.4奇解的存在定理
我们来证明在7.2节中叙述的定理7.2,它是有关奇解的一个存在定理.
证明
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