Chương 4: Phương trình đạo hàm riêng
CHƯƠNG IV: PHƯƠNG TRÌNH ĐẠO HÀM RIÊNG
GIỚI THIỆU
Phương trình vi phân là phương trình chứa hàm số một biến độc lập, các đạo hàm của
chúng và biến độc lập. Lý thuyết phương trình vi phân đã được khảo sát trong chương trình toán
giải tích II.
Phương trình đạo hàm riêng là phương trình chứa hàm số nhiều biến số, các đạo hàm riêng
của chúng và các biến độc lập. Phương trình sóng điện từ Maxuell nói riêng và phương trình
truyền sóng nói chung là những phương trình đạo hàm riêng thường được sử dụng để mô tả các
hiện tượng vật lý áp dụng trong điện tử viễn thông.
Trong chương này ta khảo sát các khái niệm cơ bản của phương trình đạo hàm riêng:
 Nghiệm của phương trình đạo hàm riêng, điều kiện biên, điều kiện đầu. Một vài phương
pháp tìm nghiệm của phương trình đạo hàm riêng.
 Tìm nghiệm của phương trình đạo hàm riêng tuyến tính cấp 1, các phương trình tuyến
tính cấp cao hệ số hằng dạng chính tắc.
 Giải bài toán Dirichlet đối với phương trình Laplace.
 Giải bài toán Cauchy đối với phương trình truyền sóng: Công thức Kirchoff, Poisson,
D’Alembert.
 Giải bài toán Cauchy đối với phương trình truyền nhiệt.
Để học tốt chương này học viên nên xem lại các kiến thức giải tích II: Hàm nhiều biến, đạo
hàm riêng, tích phân mặt. Các định lý Green, Stock, Odstrograsky.
NỘI DUNG
4.1. BÀI TOÁN DẪN ĐẾN PHƯƠNG TRÌNH ĐẠO HÀM RIÊNG VÀ CÁC ĐỊNH
NGHĨA
4.1.1. Phương trình dao động của sợi dây
Trong mặt phẳng xét sợi dây AB ở vị trí cân bằng, nó song song với trục . Chúng
ta nghiên cứu dao động ngang của sợi dây tức là trong quá trình chuyển động các chất điểm của
nó luôn luôn dịch chuyển thẳng góc với trục (xem hình 4.1).
Oxu Ox
Ox



O

dxx +

x

)(xα

)( dxx +α

Chương 4: Phương trình đạo hàm riêng
Giả sử sợi dây AB rất mảnh chịu uốn và có sức căng T tương đối lớn so với trọng lượng của
nó. Vì vậy trong quá trình xem xét có thể bỏ qua trọng lượng của sợi dây.
Gọi là độ lệch của dây so với vị trí cân bằng của điểm vật chất trên dây tại
thời điểm . Coi rằng dao động là nhỏ nên
),( txu )(xM
t
1<<
∂
∂
x
u
; Vậy có thể coi
0
2
=
⎟
⎠
⎞

, .
[]
baxTtxT ;,),(
0
∈∀=
t∀
Giả sử ngoại lực tác dụng vào dây có hướng song song với trục với hàm mật độ
, gọi là tỉ khối của sợi dây.
Ou
),( txF )(x
ρ
Xét dao động của đoạn dây có độ dài là .
dx
Theo định luật Newton ta có:

00
"() sin( ) sin() (,)
tt
u x dx T x dx T x F x t dx
ρ αα
= −+− +

vì
sin ( ) tg ( ) ( ,) '(,) " (,)
xxx
x dx xdx uxdxt u xt u xtdx
x
αα
∂
+≈ +=− + ≈− −

ρ
=
ta được:
(4.1)
),(""
2
txfuau
xxtt
+=
Gọi (4.1) là phương trình dao động của sợi dây hay gọi là phương trình truyền sóng một
chiều. Bài toán xét dao động của một thanh đàn hồi cũng dẫn đến phương trình dạng trên.
Tương tự gọi phương trình dưới đây là phương trình truyền sóng hai chiều:

( )
),,("""
2
tyxfuuau
yyxxtt
++=
(4.2)
Phương trình truyền sóng trong không gian (ví dụ: truyền âm):

( )
),,,(""""
2
tzyxfuuuau
zzyyxxtt
+++=
(4.3)
4.1.2. Các định nghĩa cơ bản

Fx x u
xx xx
xxx
⎛⎞
∂∂∂∂ ∂ ∂
=
⎜⎟
⎜⎟
∂∂ ∂∂
∂∂∂
⎝⎠
"" ""
(4.4)
Trong phương trình trên có mặt ít nhất một đạo hàm riêng cấp m.
c. Phương trình (4.4) gọi là tuyến tính nếu F là một hàm tuyến tính đối với hàm số phải
tìm u và và các đạo hàm riêng của nó. Phương trình không tuyến tính gọi là phi tuyến, Nếu F là
hàm phi tuyến nhưng tuyến tính đối với đạo hàm riêng cấp cao nhất thì gọi đó là phương trình á
tuyến.
Ví dụ 4.1:
0)(3cossin2
5
2
2
2
2
2
2
=−+
∂
∂

0cos3cossin2
2
2
2
2
2
2
2
2
=+
∂
∂
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
∂
∂
−
∂∂
∂
+
∂
∂

22
2
2
=
∂
∂
−
∂∂
∂
+
∂
∂
y
u
yx
u
x
u
.
4.1.3. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
Nói chung các quá trình vật lý xảy ra là một quá trình không dừng, tức là không những
phụ thuộc vào vị trí mà còn phụ thuộc vào thời gian. Yếu tố khởi đầu của quá trình đóng vai trò cơ
bản vào cả quá trình. Mô hình toán học phản ánh điều đó thông qua dạng hệ thức giữa các giá trị
của tham số đã biết và các đạo hàm riêng của chúng tại thời điểm ban đầu. Các hệ thức này gọi là
các điều kiện ban đầu. Bài toán tìm nghiệm của phương trình với điều kiện ban đầu gọi là bài
toán Cauchy. Chẳng hạn, bài toán về dao động của dây có thể cho điều kiện ban đầu là
gọi là dạng ban đầu của dây.
)()0,( xxu ϕ=

)(

: tức là đầu mút bên trái luôn buộc chặt.
Bài toán với điều kiện biên cụ thể có các tên riêng, như bài toán Dirichlet.
Bài toán gồm cả điều kiện ban đầu và điều kiện biên gọi là bài toán hỗn hợp.
4.1.4. Khái niệm về tích phân tổng quát
Như ta đã biết, đối với phương trình vi phân thường, tồn tại các nghiệm dạng tổng quát phụ
thuộc vào một vài tham số mà một nghiệm riêng bất kỳ có thể nhận được bằng cách cho tham số
của nghiệm tổng quát những giá trị cụ thể nào đó. Một vài dạng nghiệm tổng quát có thể tìm được
bằng cách tích phân của phương trình. Đối với phương trình đạo hàm riêng cũng vậy, sẽ có
nghiệm tổng quát bằng cách tính tích phân của phương trình. Tuy nhiên có sự khác nhau cơ bản
so với phương trình vi phân thường, ở đây nghiệm tổng quát phụ thuộc vào các hàm số tuỳ ý chứ
không phải các hằng số tuỳ ý như phương trình vi phân thường. Để minh họa điều này chúng ta
hãy xét ví dụ sau
Ví dụ 4.2: Xét phương trình:
0
2
=
∂∂
∂
yx
u
(4.5)
Phương trình (4.5) viết dưới dạng:
)(0 x
x
u
x
u
y
ϕ=
∂

2
2
=+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
cu
x
u
b
t
u
b
x
u
a
t
u
a
. (4.7)
thuộc loại Hyperbolic hay Parabolic và các hệ số của phương trình chỉ phụ thuộc
x

∫
∞
−
==
0
),(),(),(
L
Dựa vào tính hội tụ đều của tích phân suy rộng (4.8) ta chứng minh được:

124
Chương 4: Phương trình đạo hàm riêng
)0,(),( xusxsU
t
u
−=
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
∂
∂
L
;
)0,()0,(),(
2
2
2
x

⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
∂
∂
L
;
2
2
2
2
x
U
x
u
∂
∂
=
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧

và điều kiện biên .
⎩
⎨
⎧
=
=
0),(
0),0(
tlu
tu
Giải: Thay (4.8)-(4.10) vào phương trình trên ta được phương trình ảnh
xsU
x
U
a
x
U
axusU π−=−
∂
∂
⇒
∂
∂
=− 2sin3)0,(
2
2
2
2
2
2

và
{ }
0),1(),1( == tusU
L
. Suy ra:
0
0
0
21
21
21
=−=⇒
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
=+
=+
−
CC
eCeC
CC
a
s
a
s
.
Do đó
x

k
nk
x
u
xxX
1
1
0),...,(
(4.11)

125
Chương 4: Phương trình đạo hàm riêng
gọi là phương trình tuyến tính thuần nhất cấp 1.
Ta xét trường hợp phương trình (4.11) với giả thiết các hàm
nkxxX
nk
,1,),...,(
1
=
là các
hàm liên tục cùng các đạo hàm riêng của chúng tại lân cận điểm và không
đồng thời triệt tiêu tại
),...,(
00
1
0
n
xxX =
0
X

là hệ đối xứng tương ứng với phương trình (4.11).
Kết hợp với điều kiện (4.12), hệ (4.13) có thể viết dưới dạng chuẩn tắc sau:

⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
=
=
−−
n
n
n
n
nn
X
X
dx
dx
X
X
dx
dx
11
11

xxu ϕ=
khác hằng số là một nghiệm của (4.11) thì
),...,(
1
n
xxϕ=ϕ
là tích phân của (4.13).
Như vậy việc tìm nghiệm của (4.11) đưa về việc tìm các tích phân của (4.13). Lý thuyết
phương trình vi phân chỉ ra rằng hệ (4.13) có
1
−n
nghiệm độc lập. Vậy nếu tìm được
1
−n
tích
phân độc lập của hệ (4.13) là
1,...,1;),...,(
1
−=ϕ=ϕ nixx
nii
. Khi đó hàm số:
( )
121
,...,,
−
ϕϕϕΦ=ϕ
n

trong đó
Φ

y
x
u
x

Giải: Hệ đối xứng tương úng:
z
dz
y
dy
x
dx
==
hay
⎩
⎨
⎧
=
=
⇒
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
=
=
zCy

⎝
⎛
Φ=
z
y
z
x
u
,

với
Φ
là hàm khả vi liên tục bất kỳ.
4.2.2. Phương trình tuyến tính không thuần nhất
Phương trình dạng

∑
=
=
∂
∂
n
k
n
k
nk
uxxf
x
u
uxxX

≠YX
n
.
Chúng ta sẽ tìm nghiệm của (4.16) dưới dạng ẩn:
0),,...,(
1
=uxxV
n
, trong đó khả vi
liên tục và
V
0)(
0
≠
∂
∂
Y
u
V
. Theo định lý hàm ẩn suy ra
ni
u
V
x
V
x
u
i
i
,1; =

0),,...,(),,...,(
. (4.17)
Đó là phương trình tuyến tính thuần nhất được trình bày ở đoạn trên.
Gọi
niuxx
nii
,...,1;),,...,(
1
=ϕ=ϕ
là các tích phân độc lập của hệ đối xứng tương ứng
với (4.14). Khi đó nghiệm tổng quát của (4.17) là:
( )
n
V ϕϕϕΦ=
,...,,
21
.

127
Chương 4: Phương trình đạo hàm riêng
Suy ra tích phân tổng quát của (4.17)
( )
0,...,,
21
=ϕϕϕΦ
n
.
Với
Φ
là hàm tuỳ ý khả vi liên tục.

ϕ=
nnn
xxxxxxxu
Trong đó
niX
i
,1; =
liên tục cùng các đạo hàm riêng cấp 1 ở lân cận
( )
00
2
0
1
0
,...,,
n
xxxX =
và
ϕ
là hàm khả vi liên tục.
Để giải bài toán (4.18) - (4.19) ta làm như sau:
♦ Lập hệ đối xứng tương ứng của (4.18) và tìm
1
−
n
tích phân độc lập của hệ đó:

1,...,1;),...,(
1
−=ϕ=ϕ nixx


và giải hệ phương trình này được

( )
()
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
ϕϕψ=
ϕϕψ=
−−−
−
1111
1111
,...,
,...,
nnn
n
x
x
""""""""""

♦ Thay
121
,...,,
−
ϕϕϕ
n

Nhận xét:

128
Chương 4: Phương trình đạo hàm riêng
1. Trong các bài toán thực tế biến thứ biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian do đó thường
được ký hiệu là
t
thay cho . Lúc đó điều kiện (4.19) của bài toán Cauchy được gọi là
điều kiện đầu.
n
n
x
2. Quá trình tìm nghiệm của bài toán Cauchy đối với phương trình không thuần nhất là
tương tự vì chúng ta đưa về phương trình thuần nhất (4.17). Thí dụ dưới đây sẽ minh họa
điều đó.
Ví dụ 4.5: Tìm nghiệm của bài toán Cauchy sau
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
−=
=
∂
∂
++
∂
∂
=
4),(

xy
x
V
x
có nghiệm dưới dạng
hàm ẩn .
()
0),(,, =yxuyxV
Hệ phương trình vi phân đối xứng dạng (4.13) tương ứng:
u
du
xy
dy
x
dx
=
+
=
2
.

)(
1
2
xCxyx
x
y
dx
dy
xy

⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
ϕ==ϕ
ϕ=
−
=ϕ
22
11
2
),,2(
2
4
),,2(
u
uy
y
uy
Nhận được:
⎩
⎨
⎧
ϕ=
+ϕ=
2
1
2

0),,,,(),(),(2),( =+++
yxyyxyxx
uuuyxFuyxcuyxbuyxa
(4.21)
trong đó ký hiệu:

129
Chương 4: Phương trình đạo hàm riêng
x
u
thay cho
x
u
u
x
∂
∂
='
; thay cho
xx
u
2
2
"
x
u
u
xx
∂
∂

như sau:
a. Phương trình (4.21) thuộc loại hyperbolic tại nếu
0
M
0)(
0
2
>−
M
acb
.
b. Phương trình (4.21) thuộc loại elliptic tại nếu
0
M
0)(
0
2
<−
M
acb
.
c. Phương trình (4.21) thuộc loại parabolic tại nếu
0
M
0)(
0
2
=−
M
acb

Trong phép biến đổi này ta giả thiết rằng
),(),,( yxyx ηξ
là các hàm khả vi liên tục đến cấp
2.
Định lí 4.2: Loại của phương trình (4.21) (tại 1 điểm hay trên 1 miền) không thay đổi qua
phép biến đổi không suy biến (4.23).
Chứng minh: Từ (4.23), áp dụng công thức đạo hàm của hàm hợp, suy ra:
yyyxxx
uuuuuu η+ξ=η+ξ=
ηξηξ
,

xxxxxxxxxx
uuuuuu η+ξ+η+ηξ+ξ=
ηξηηξηξξ
22
2

xyxyyxxyyxyxxy
uuuuuu η+ξ+ηη+ηξ+ηξ+ξξ=
ηξηηξηξξ
)(

yyyyyyyyyy
uuuuuu η+ξ+η+ηξ+ξ=
ηξηηξηξξ
22
2

Thay vào (4.21) nhận được:

2
1
Jacbcab −=−
. Chứng tỏ và cùng đấu. Định lí
được chứng minh.
11
2
1
cab −
acb −
2
Chú ý 1: Từ (4.25)-(4.27) ta nhận thấy rằng nếu muốn
0
1
=a
hoặc qua phép biến
đổi không suy biến
0
1
=c
),(,),( yxyx η=ηξ=ξ
thì hàm số này phải thỏa mãn phương trình sau gọi là
phương trình đặc trưng của phương trình (4.21)
(4.28)
0),(),(2),(
22
=ϕ+ϕϕ+ϕ
yyxx
yxcyxbyxa
Bổ đề: Giả sử

Bây giờ tùy theo dấu của biểu thức sẽ tìm được phép biến đổi thích hợp (4.23)
để đưa phương trình (4.21) về dạng chính tắc.
acb −=Δ
2
1. Trường hợp
2
'bac0Δ =−>
: phương trình thuộc loại hyperbolic
a. Nếu ( cũng tương tự).
0
≠a
0
≠c
Phương trình đặc trưng (4.30) cho hai phương trình tương đương

'
'
b
y
a
−Δ
=
và
'
'
b
y
a
+ Δ
=

*
1
2b
F
F −=
.
b. Nếu thì vì
0,0 == ca
0
≠b
'0Δ >
. Rõ ràng khi đó phương trình có dạng (4.32).

131
Chương 4: Phương trình đạo hàm riêng
Nếu thực hiện phép biến đổi: thì (4.32) đưa về dạng:
⎩
⎨
⎧
β−α=η
β+α=ξ
(4.33)
),,,,(
**
1 βαββαα
βα=− uuuFuu
Các phương trình (4.32), (4.33) đều gọi là dạng chính tắc của phương trình loại hyperbolic
(4.21).
2. Trường hợp : phương trình thuộc loại elliptic.
0

),( Cyx =ϕ
;
),( yxϕ
là liên hợp
của .
),( yxϕ
Giả sử
),(),(),( yxiyxyx β+α=ϕ
. Ta thực hiện phép đổi biến:
⎩
⎨
⎧
β=β
α=α
),(
),(
yx
yx
Khi đó phương trình (4.24) đưa về dạng:
(4.34)
),,,,(
*
2 βαββαα
βα=+ uuuFuu
trong đó đặt
1
1
*
2
a

),(
),(
yx
yx
trong đó được chọn sao cho nó độc lập với
),( yxψ ),( yxϕ
tức là
0
),(
),(
≠
ηξ
yxD
D
.
Với phép biến đổi trên phương trình ( 4.24) dẫn về dạng:
),,,,(
***
1 ηξηη
ηξ= uuuFu
(4.35)

132
Chương 4: Phương trình đạo hàm riêng
trong đó:
1
1
***
1
c

u
.

Theo Ví dụ 4.1 ta được nghiệm tổng quát có dạng:
)()()()( atxgatxfgfu −++=η+ξ=
; là hai hàm tùy ý.
gf ,
4.4. DẠNG CHÍNH TẮC CỦA PHƯƠNG TRÌNH CÓ HỆ SỐ HẰNG SỐ
Chúng ta xét phương trình:
0),(2
21
=++++++ yxfueududucubua
yxyyxyxx
(4.36)
ở đây là các hằng số; là hàm liên tục trong miền
eddcba ,,,,,
21
),( yxf
2

⊂Ω
nào đó.
Rõ ràng phương trình đặc trưng của (4.32) cũng có hệ số hằng số, các tích phân tổng quát
hay gọi là các đặc trưng của nó là các đường thẳng.

Cx
a
acbb
dx
a

ηξηηξξ
yxfueududuu
.
c. Dạng phương trình parabolic

0),(
21
=++++
ηξξξ
yxfueududu
(4.39)

133
Chương 4: Phương trình đạo hàm riêng
Tuy nhiên, chúng ta còn có thể đơn giản hóa các phương trình trên nhờ vào việc đổi biến:

βη+αξ
= evu
Trong đó sẽ được chọn thích hợp. Chẳng hạn xét phương trình (4.37). Theo biến mới,
hãy thay các biến thức sau vào (4.37).
βα,

() ( )
vveuvveu β+=α+=
η
βη+αξ
ηξ
βη+αξ
ξ
,

.
Lấy
2
,
2
21
dd
−=β−=α
. Khi đó (4.37) có dạng
0),(
1
=ηξ+γ++
ηηξξ
fvvv
. (4.40)
Tương tự (4.38)-(4.39) đưa về dạng
0),(
1
=ηξ+γ+
ξη
fvv
.
hay
0),(
1
=ηξ+γ+−
ηηξξ
fvvv
. (4.41)



Theo ký hiệu (4.22) phương trình Laplace được viết lại:

0=++
zzyyxx
uuu
(4.43)
Hàm thỏa mãn phương trình (4.43) trong miền bị chặn
),,( zyxu
3
⊂Ω
gọi là hàm điều
hòa trong
Ω
.
Nếu không bị chặn trong , hàm gọi là điều hòa trên
Ω
nếu nó điều hòa tại
mọi điểm của , ngoài ra thỏa mãn đánh giá:
Ω
3

),,( zyxu
Ω
222
(, ,) , 0,
C
uxyz C r x y z
r
≤>=++