Предмет математичної фізики. диференціальні рівняння з частинними похідними
Предметом математичної фізики, як відомо [3], є вивчення методів розв’язування задач, що виникають при аналізі широкого класу фізичних явищ, які моделюються диференціальними рівняннями з частинними похідними. Ці рівняння називаються рівняннями математичної фізики. Ми не ставимо перед собою задачу вивчати всі способи розв’язування диференціальних рівнянь з частинними похідними. Розглянемо тільки ті конкретні рівняння, які є дуже важливими для фізики, механіки і техніки.
Зупинимось на основних поняттях таких рівнянь.
Диференціальним рівнянням з частинними похідними відносно невідомої функції називається рівняння, що зв’язує незалежні змінні
, шукану функцію
та її частинні похідні. Найвищий порядок частинної похідної, що входить в рівняння, називається порядком диференціального рівняння.
Наприклад, – є диференціальним рівнянням з частинними похідними 2-го порядку для функції
класу
.
Функція називається розв’язком диференціального рівняння з частинними похідними, якщо в результаті підстановки її в рівняння воно перетворюється в тотожність.
Приклад 1.1 Знайти функцію , яка є розв’язком диференціального рівняння
.
Домножимо обидві частини рівняння на
і зінтегруємо по змінній
:
,
де – довільна функція від
(ця функція відіграє роль довільної сталої при інтегруванні по
).
Знову домножимо обидві частини рівняння на та проінтегруємо по
:
У результаті отримаємо
,
де – друга довільна функція від
.
Перевіркою легко встановити, що знайдена функція задовольняє задане рівняння, отже, є його розв’язком.
Як бачимо, функція залежить від двох довільних двічі диференційовних функцій
та
У цьому і полягає відмінність розв’язування диференціальних рівнянь з частинними похідними у порівнянні з розв’язуванням диференціальних рівнянь зі звичайними похідними, де розв’язок залежить від довільних сталих. Знайдена функція є загальним розв’язком даного диференціального рівняння з частинними похідними.
Диференціальне рівняння з частинними похідними називається лінійним, якщо шукана функція і всі її частинні похідні входять в рівняння лінійно. Рівняння з частинними похідними називається квазілінійним, якщо воно лінійне відносно всіх старших похідних від невідомої функції.
Диференціальні рівняння математичної фізики, якими ми будемо займатись в подальшому, мають між собою чимало спільного [1]: усі вони – другого порядку, лінійні відносно невідомої функції та її частинних похідних, а коефіцієнти перед функцією та її похідними – сталі числа. Загальний вигляд таких рівнянь для функції є наступним:
,
де – сталі, а права частина – задана функція від
.