Ratkaiseminen : Algebrallisen ratkaisemisen menetelmät

Ensimmäiseen kertalukuun palautuvat korkeampien kertalukujen yhtälöt

Toisen ja korkeamman kertaluvun yhtälöt voidaan kirjoittaa normaaliryhmän muotoon ja eräissä tapauksissa palauttaa tätä kautta ensimmäiseen kertalukuun.

Tavallisimmat tapaukset ovat seuraavat:

1) Jos toisen kertaluvun yhtälö on muotoa y'' = f(x, y'), on vastaava normaaliryhmä

{
  y'=  z,
    '
  z  = f (x, z).

Tässä jälkimmäinen yhtälö on ensimmäistä kertalukua tuntemattomana funktiona z. Tämän ratkaisuna on z(x) = y'(x), jolloin y(x) saadaan yhdellä lisäintegroinnilla.

2) Jos yhtälö on muotoa y'' = f(y, y') — jolloin se on autonominen — on normaaliryhmä

{   '
   y = z,
   z'= f (y, z)     eli        dy
{  ---= z,
   dx
   dz
   ---= f (y, z).
   dx

Jos oletetaan, että jollakin tarkastelualueen osavälillä on olemassa ratkaisufunktion käänteisfunktio x = g(y), pätee yhdistetyn funktion z(g(y)) = z(x) = y'(x) derivaatalle ketjusäännön mukaan

dz
---
dy = z'(x)g'(y) = z'(x)
-'---
y(x) = f(y,z)
-------
  z.

Täten päädytään ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöön

dz-
dy = f(y,z)-
  z,

joka kuvaa muuttujien y ja z välistä riippuvuutta. Yhtälöön päästään myös jakamalla normaaliryhmän yhtälöt puolittain ja supistamalla dx pois derivaattasymboleissa dy-
dx ja dz
dx.

Tuloksena on siis ensimmäisen kertaluvun yhtälö. Tämän ratkaisu on periaatteessa muotoa z = h(y) tai H(y, z) = 0. Kyseessä on normaaliryhmän ratkaisun y(x), z(x) = y' (x) faasitasoesityksen yhtälö.

Vastaavanlaisia menettelyjä voidaan toisinaan käyttää myös kolmannen ja korkeampien kertalukujen yhtälöiden palauttamisessa ensimmäiseen kertalukuun.


Esimerkki: toisen kertaluvun yhtälön palauttaminen ensimmäiseen kertalukuun ja ratkaiseminen separoimalla
Esimerkki: kolmannen kertaluvun yhtälön palauttaminen ensimmäiseen kertalukuun ja ratkaiseminen separoimalla
Esimerkki: vakiokertoimisen lineaariyhtälön faasitasoesitys
Teoria: normaaliryhmä
Teoria: faasitaso

SKK 15.5.2001