Explicit transformation of the Riccati equation and other polynomial ODEs to systems of linear ODEs | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2021. № 72. DOI: 10.17223/19988621/72/1

Explicit transformation of the Riccati equation and other polynomial ODEs to systems of linear ODEs

The purpose of this work is to propose and demonstrate a way to explicitly transform polynomial ODE systems to linear ODE systems. With the help of an additional first integral, the one-dimensional Riccati equation is transformed to a linear system of three ODEs with variable coefficients. Solving the system, we can find a solution to the original Riccati equation in the general form or only to the Cauchy problem. The Riccati equation is one of the most interesting nonlinear first order differential equations. It is proved that there is no general solution of the Riccati equation in the form of quadratures; however, if at least one particular solution is known, then its general solution is also found. Thus, it is enough only to find a particular solution of the linear system of ODEs. The applied transformation method is a special case of the method described in our work [Zaytsev M. L., Akkerman V. B. (2020) On the identification of solutions to Riccati equation and the other polynomial systems of ODEs // preprint, Research Gate. DOI: 10.13140 / Rg.2.2.26980.60807]. This method uses algebraic transformations and transition to new unknowns consisting of products of the original unknowns. The number of new unknowns becomes less than the number of equations. For the multidimensional Riccati equations, we do not present the corresponding linear system of ODEs because of the large number of linear equations obtained (more than 100). However, we present the first integral with which this can be done. In this paper, we also propose a method for finding the first integral, which can be used to reduce a search for the solution of any polynomial systems of ODEs to a search of solutions to linear systems of ODEs. In particular, if the coefficients in these equations are constant, then the solution is found explicitly. AMS Mathematical Subject Classification: 34A34

Download file
Counter downloads: 56

Keywords

overdetermined systems of differential equations, reduction, polynomial systems of ODE, Cauchy problem, Riccati equation, linear ODE systems, symbolic calculations

Authors

NameOrganizationE-mail
Zaytsev Maxim L.An individual entrepreneurmlzaytsev@mail.ru
Akkerman Vyacheslav B.West Virginia Universityvyacheslav.akkerman@mail.wvu.edu
Всего: 2

References

Егоров А.И. Уравнения Риккати. М.: Физматлит, 2001. 319 с.
Зеликин М.И. Однородные пространства и уравнение Риккати в вариационном исчислении. М.: Факториал Пресс, 1998. 352 с.
Пуанкаре А. О кривых, определяемых дифференциальными уравнениями: пер. с франц. М.: ОГИЗ, 1947. 392 с.
Мерман Г.А. О представлении общего решения задачи трех тел сходящимися рядами // Бюлл. ИТА АН СССР. Наука. 1958. Т. 6. № 10. С. 713-720.
Кривов А.В., Чернышева Н.А. Интегрирование уравнений движения низкого ИСЗ методом рядов Тейлора // Кинематика и физика небесных тел. 1990. Т.6. № 2. С. 13-16.
Бабаджанянц Л.К. Продолжаемость и представление решений в задачах небесной механики // Труды ИТА АН СССР. Наука. 1978. Вып. XII. С. 3-45.
Бабаджанянц Л.К., Брэгман К.М. Алгоритм метода дополнительных переменных // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер.10. Прикл. матем. Информ. Проц. упр. 2012. Вып. 2. С. 3-12.
Деревенский В.П. Квадратное уравнение над матричными косыми рядами // Известия вузов. Математика. 2014. № 1. С. 17-30.
Карачик В.В. Полиномиальные решения дифференциальных уравнений в частных производных с постоянными коэффициентами // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». 2011. Вып. 4. № 10 (227). С. 4-17.
Zaytsev M.L., Akkerman V.B. On the identification of solutions to Riccati equation and the other polynomial systems of ODEs // preprint, Research Gate, 2020. DOI: 10.13140/RG.2.2.26980.60807.
Зайцев М.Л., Аккерман В.Б. Еще один способ нахождения частных решений уравнений математической физики // Вестник ВолГУ. Серия 1, Математика. Физика. 2016. № 6(37). С. 119-127. DOI: 10.15688/jvolsu1.2016.6.11.
Зайцев М.Л., Аккерман В.Б. Редукция переопределенных систем дифференциальных уравнений математической физики // Математическая физика и компьютерное моделирование. 2017. Т. 20. № 4. С. 43-67. DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2017.4.5.
Зайцев М. Л., Аккерман В. Б. Алгоритм нахождения решений переопределенных систем дифференциальных уравнений в явном виде // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». 2020. Т. 12. № 4. С. 5-18. DOI: 10.14529/mmph200401.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: учеб. пособие в 10 т. Т. I. Механика. М.: Наука, 1988. 216 c.
Федорюк М.В. Обыкновенные дифференциальные уравнения. СПб.: Лань, 2003. 448 c.
 Explicit transformation of the Riccati equation and other polynomial ODEs to systems of linear ODEs | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2021. № 72. DOI: 10.17223/19988621/72/1

Explicit transformation of the Riccati equation and other polynomial ODEs to systems of linear ODEs | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2021. № 72. DOI: 10.17223/19988621/72/1

Download full-text version
Counter downloads: 250