Czynnik całkujący (metoda czynnika całkującego) – metoda pozwalająca znaleźć rozwiązania niektórych równań różniczkowych pierwszego rzędu poprzez sprowadzenie ich do równań różniczkowych zupełnych.
Niech dane będzie równanie różniczkowe
lub, w alternatywnej postaci,
gdzie funkcje i są klasy na pewnym obszarze jednospójnym i w żadnym punkcie tego obszaru nie zerują się jednocześnie. Ponadto załóżmy, że zachodzi
(warunek ten oznacza, że równanie nie jest równaniem zupełnym).
Metoda czynnika całkującego polega na znalezieniu różnej od zera funkcji takiej, że po przemnożeniu przez nią równania , stanie się ono równaniem zupełnym:
dla którego będzie zachodziło
Z powyższych wzorów wynika, że szukana funkcja musi posiadać pochodne cząstkowe pierwszego rzędu.
Tak sprowadzone równanie, będące równaniem zupełnym daje się już scałkować, istnieje więc funkcja dla której jest całką (rozwiązaniem) równania , a zarazem i . Znajdywanie czynnika całkującego prowadzi do rozwiązywania równania pierwszego rzędu o pochodnych cząstkowych, z niewiadomą funkcją które w ogólności jest trudne do rozwiązania.
Niektóre przypadki postaci czynnika całkującego Czynnik całkujący zależny tylko od Przypuśćmy, że równanie ma czynnik całkujący zależny tylko od zmiennej Oznacza, to że musi on spełniać równanie
jako że Zakładając, że otrzymujemy
Aby istniał czynnik całkujący konieczne jest, by prawa strona równania była zależna tylko od zmiennej
Wtedy, rozwiązując równanie o zmiennych rozdzielonych otrzymujemy, że
gdzie jest dowolną, niezerową liczbą rzeczywistą, a to oznaczenie funkcji eksponencjalnej. Każda z tak otrzymanych funkcji jest czynnikiem całkującym, zwyczajowo więc przyjmuje się, że
Przykład Niech dane będzie równanie liniowe
Warunek jest spełniony, ponieważ w naszym przypadku i oraz
tak więc czynnikiem całkującym równania jest
Czynnik całkujący zależny tylko od Postępując analogicznie, jak w poprzednim przykładzie, czynnik całkujący równania zależny od istnieć będzie tylko wtedy, gdy oraz prawa strona równania
będzie zależna tylko od Wtedy czynnik całkujący będzie postaci
gdzie ponownie jest dowolną, niezerową liczbą rzeczywistą, a to prawa strona równania .
Czynnik całkujący zależny od Ponownie, załóżmy, że równanie ma czynnik całkujący postaci gdzie Zauważmy, że funkcja jest formalnie funkcją zmiennej Warunek przyjmuje postać
Ponieważ zakładając, że warunkiem na to, by funkcja była czynnikiem całkującym jest, aby prawa strona równania
zależała tylko od czyli od Czynnik całkujący ma wtedy postać
gdzie jak poprzednio jest prawą stroną .
Przykład Rozpatrzmy równanie
W naszym przypadku oraz
Prawa strona równania jest zależna tylko od więc czynnik całkujący będzie postaci
Przypadek ogólny Załóżmy w końcu że równanie ma czynnik całkujący postaci gdzie jest dowolną funkcją, posiadającą pochodne cząstkowe i dla której zachodzi Warunek przyjmuje ponownie postać
a warunkiem, by była czynnikiem całkującym jest, by prawa strona równania
była zależna jedynie od
Istnienie i jednoznaczność czynnika całkującego Zakładając istnienie całki ogólnej równania , przy poprzednich założeniach można wykazać, że każde równanie postaci ma czynnik całkujący.
Z postaci czynnika całkującego
wynika, że dla dowolnej, niezerowej liczby rzeczywistej jest czynnikiem całkującym. Oprócz tego, jeśli jest czynnikiem całkującym równania , to
gdzie jest całką ogólną równania a jest dowolną, niezerową funkcją mającą ciągłą pochodną, także jest czynnikiem całkującym . W istocie, pomiędzy każdymi dwoma czynnikami całkującymi równania zachodzi zależność .
Przypisy
Bibliografia
Literatura dodatkowa
Linki zewnętrzne [dostęp 2025-12-13].
Kategoria:Równania różniczkowe