МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
МЕТОД ХАРАКТЕРИСТИК
РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ
С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ
ВТОРОГО ПОРЯДКА
Учебно-методическое пособие
Составитель
П.В. Садчиков
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2017
								                        
									                        Стр.1
								                        
								                     
                                                
                                            		
								                        
ВВЕДЕНИЕ
В данном пособии излагается суть метода характеристик решения
уравнений в частных производных второго порядка с двумя независимыми
переменными, дается подробный алгоритм приведения к каноническому
виду уравнений второго порядка разных типов, рассматривается задача
Коши для уравнения гиперболического типа. Пособие содержит краткое
теоретическое обоснование, примеры решения задач и контрольные задания,
используемые на практических занятиях.
3
								                        
									                        Стр.3
								                        
								                     
                                                
                                            		
								                        
ПРИМЕРЫ ПРИВЕДЕНИЯ К КАНОНИЧЕСКОМУ ВИДУ
УРАВНЕНИЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА
Пример 1. Привести к каноническому виду уравнение
2
uxuxy
2cos
Решение. Так как 22
(3 sin )x uyy
c
xx yu  .
 
x
y
0
ba cos 3 sin 4
x
  , то исходное уравне2
ние
принадлежит гиперболическому типу. Составим уравнения характеристик:
ady
b b ac dx dy    
2
ady b b ac dx dy     .
2
 
 
(
() (
2sin
2sin
x xy c
x xy c
 
 
( cos 2) 0
cos x dx2)
x dx
0
Проинтегрируем данные уравнения и получим
1
,
2.
Введем новые независимые переменные
2sin ,
 x xy 
2sin .
  x u ;
x
x u 
x
  
x
x x
xx
u
u
 x xy 
Пересчитаем производные, входящие в исходное уравнение:
xx (2 cos ) (2 cos )
uu u   u u ;
uu u  
yy y
uu u    
 
x
uu u   y
22
 y y
y
x y
 x y
x u
uu u () (2  cos x)u
2cos xu
yy 22 ;
xy  y x
 
Подставим полученные выражения в исходное уравнение:
     xy    
(2 cos ) .
u yy
u
 x y
u yy
u
  xy
6
xu
u       u u u
u
 2(2  cos x) u 
2(2 cos )(2 cos )xxu  (2 cos ) u  sin xu  sin ;
22 2
2
u   xx  xx 
)
								                        
									                        Стр.6
								                        
								                     
                                                
                                            		
								                        
xx (3 sin )x uyy  yu  (2 cos x) u 
 
uxuxy
x
2cos
2(2 cos )(2 cos )
 
      
      
2cos ( (2 cos ) 2cos xu  (2 cos ) ) 
(3 sin )( 2
xxu
2
u
что
16 (sin ) 
Зная,
sin
2
uu u 
xu u u y u u )
 
  ) (
 
x y u xy u u xy u u
xu  (2 cos )x u  sin xu  sin xu 
22
2
y
x u
(sin ) 16 (sin )(  
 x xy  2sin ,
2sin
).
 x xy  ,
находим
xy   . Следовательно, канонический вид исходного уравнения:
32 () 0
   .
y u xyu x u yu 
Решение.
xy
yy
ba 20c
 x y x y x y
22 2
2
2
22
xx 22 0
Пример 2. Привести к каноническому виду уравнение
y  .
   . Следовательно, уравнение принадлежит
2
Определим
2
эллиптическому типу. Составим уравнение характеристик:
2
yd () 0
x ix dx  .
y xy ixy dx  ,
ydy () 0
дующим образом: 22
x
uu u   
uu u    yu ;
u
u u 24 8
22 ;
xx
uu
x
uu u   y
yy 24 2 ;
22 2
y
 y y
u     
yy
u uyy 
7
y u u
 
 x x
y
   u xu xu xu 4
22 2
u     xx 
x
u
xx
 
2
 
2
  
Получим общий интеграл последнего уравнения: 22 2
Таким образом, новые независимые переменные будут выглядеть сле
y  x .
x yix c  .
,
xu xu ;
2
Посчитаем частные производные:
xx 22x
yy 2
тип
уравнения:
								                        
									                        Стр.7
								                        
								                     
                                                
                                            		
								                        
u u      xy    
xy  y x
x y
x y
u
 u u xy
x y
y u xyu x u yu y xu xu xu u u
xy xyu xyu
44 2
xx 22 (4 84 2
2
xy
 
Очевидно, что 2
2( 4
22
го уравнения:
  
uu u 
 
u
11 0
2
.
tg  xu  .
Решение. Так как 22 2
xu y xu y uyy  tg
xx
2 tg
xy
x
0
tg
Пример 3. Привести к каноническому виду уравнение
22 3
bac  , то исходное уравне2
y
x
y xtg 0
2
ние принадлежит параболическому типу. Уравнение характеристик выглядит
следующим образом:
tg
2
xdy y xdx ,
или
tg
tg xdy ydx
 .
0
Проинтегрируем данное уравнение и получим:
ln
yx c
Положим  yx
sin
 (, )x y
.
ln sin .
. В качестве второй функции возьмем функцию
 y , обеспечивающую отличие от нуля якобиана преобразования
 (, ),x y
uu u y xu ;
uu u  
xx x  
 
yy siny
Пересчитаем частные производные:
cos
  
xu u ;
8
0
yy
  4 ) 2
2
xy u x u y u .
 
2
y   , x  Значит, канонический вид исходно2
.
y
  x y u u y yu x y u 
22
(4
 
 ) ( 2 )4
 
2
 
2
2
2
   ) 
2
 2
u () 4xyu xyu
 4
.
Подставим полученные выражения в исходное уравнение:
22 2
								                        
									                        Стр.8
								                        
								                     
                                                
                                            		
								                        
uu u   x
u u2u
 x x
x
y
y y
xy
x y
x y
 xu
yxu
cos
xx
2 tg
xy
xx 2cos xu ysin xu;
yy    y
uu u  y x
22 2
u xx
u       y
22 2
u yy
 () sin cos xu
cos .
     xy    y
u
 x y
u
  xy
u
x
tg   tg xu  tg ( cos xu y xu
2
  cos ) 
tg cos 
xu y xu y uyy
2 tg ( sin cos
 
Зная, что
2
2
sin
x
y x y x xu y xu
32
cos
xy xu y u y xu
 yx
uu 0 .
 
МЕТОД ХАРАКТЕРИСТИК
Метод приведения уравнения второго порядка (1) к каноническому
виду и решение полученного при этом уравнения носит название метода
характеристик. Рассмотрим пример решения уравнения параболического
типа.
Пример 4. Найти общее решение уравнения:
2
x
x uxx  2xyuxy  y uyy  xu  yu  0 .
2
y
дискриминант уравнения равен нулю: b ac x y  x y 
2
2 2
  , ( , )
 xy,
приводится к виду:
 v
v
или
9
   0
x u x y  v( , )
Решение. Заданное уравнение имеет параболический тип (так как
 
2 2 0 ) и заменой:
(5)
2 sin .
,  y , находим канонический вид уравнения:
xu y (sin xu  2sin xu u
22
x y
 ) 
2
2
 
sin ) 
u       sin xu  2sin xu u
u xx
u yy
2
;
Подставим полученные выражения в исходное уравнение
22 3
								                        
									                        Стр.9
								                        
								                     
                                                
                                            		
								                        
( v) 0 .
Проинтегрируем последнее равенство и получим
1 ( )
 
v 
или
v 
где
где
1( )
1 ( )
( , )  1( ) ln
,
 – произвольная функция. Проинтегрировав еще раз, получим
( )
v    
2
2 ( )
,
(6)
 – произвольная функция.
В равенстве (6) вернемся к старым переменным, учитывая замену (5).
В результате получим общее решение заданного уравнения:
( )
u x y (xy) ln x 2 xy ,
( , )
1
где 1,  2 – произвольные дважды непрерывно дифференцируемые функции.
ЗАДАЧА
КОШИ ДЛЯ УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА
ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО ТИПА
Задача Коши для уравнения (1) с условиями
0
uu (, )
 
x y ,
 
u ux y
l 
1(, )
(7)
состоит в следующем. Пусть в области D задано уравнение (1) гиперболического
типа и на кривой  , которая принадлежит области D или является
частью границы области D , заданы функции 0
ux y ,
(, ) ux y и направле1(,
)
ние (, )lx y . Требуется найти функцию (, )ux y , которая в области D является
решением уравнения (1) и на кривой  удовлетворяет условиям (7).
10
								                        
									                        Стр.10