Для нахождения общего решения заданного уравнения, сначала приведем его к каноническому виду. Для этого воспользуемся заменой переменных.
Пусть U = U(x, y) и введем новые переменные ξ и η следующим образом:
ξ = x + y,
η = x - y.
Тогда производные по x и y можно выразить через производные по ξ и η следующим образом:
Ux = Uξ + Uη,
Uy = -Uξ + Uη.
Применим эти замены в исходном уравнении:
Uxx + yUx + xUy + xyU = 0.
Заменим производные по x и y через производные по ξ и η:
(Uξ + Uη)ξ + y(Uξ + Uη) + x(-Uξ + Uη) + xyU = 0.
Упростим выражение:
Uξξ + Uηξ + Uξη + Uηη + yUξ + yUη - xUξ + xUη + xyU = 0.
Сгруппируем слагаемые с одинаковыми производными:
(Uξξ + 2yUξ + xyU) + (Uηη + 2xUη + xyU) + 2(Uξη + Uηξ) = 0.
Обозначим новые функции:
V(ξ, η) = Uξξ + 2yUξ + xyU,
W(ξ, η) = Uηη + 2xUη + xyU.
Тогда исходное уравнение можно записать в виде:
V(ξ, η) + W(ξ, η) + 2(Uξη + Uηξ) = 0.
Выполним дальнейшие преобразования:
2(Uξη + Uηξ) = -V(ξ, η) - W(ξ, η).
Разделим обе части на 2:
Uξη + Uηξ = -1/2 * (V(ξ, η) + W(ξ, η)).
Обозначим новую функцию:
Q(ξ, η) = Uξη.
Тогда получим следующие уравнения:
Q + Qξ + Qη = -1/2 * (V + W),
Q = Uξη.
Теперь необходимо решить систему этих уравнений. Заметим, что первое уравнение является уравнением в частных производных первого порядка. Для его решения введем новую функцию R(ξ, η) следующим образом:
Q = Rξ.
Тогда первое уравнение примет вид:
Rξ + Rξξ + Rξη = -1/2 * (V + W).
Выразим Rξη через частные производные R:
Rξη = -(V + W + Rξ + Rξξ) / 2.
Тогда первое уравнение примет вид:
Rξ + Rξξ - (V + W + Rξ + Rξξ) / 2 = 0.
Упростим это уравнение:
Rξ + Rξξ - V/2 - W/2 - Rξ/2 - Rξξ/2 = 0.
Сгруппируем слагаемые:
Rξ - Rξ/2 + Rξξ - Rξξ/2 - V/2 - W/2 = 0.
Упростим выражение:
Rξ/2 + Rξξ/2 = -V/2 - W/2.
Опустим деление на 2:
Rξ + Rξξ = -V - W.
Полученное уравнение является уравнением в частных производных первого порядка и может быть решено как обыкновенное дифференциальное уравнение. Имеет вид:
Rξ + Rξξ = -V - W.
Теперь найдем общее решение этого уравнения. Рассмотрим его характеристическое уравнение:
λ + λ^2 = 0,
λ(1 + λ) = 0.
Таким образом, возможны два случая:
1) λ = 0,
2) λ = -1.
Для первого случая решением будет функция R1(ξ):
R1(ξ) = C1,
где C1 - произвольная постоянная.
Для второго случая решением будет функция R2(ξ):
R2(ξ) = C2 * e^(-ξ),
где C2 - произвольная постоянная.
Таким образом, общее решение уравнения Rξ + Rξξ = -V - W будет выглядеть следующим образом:
R(ξ) = R1(ξ) + R2(ξ) = C1 + C2 * e^(-ξ).
Подставляя это решение в уравнение Rξ + Rξξ = -V - W, получим уравнение для поиска функций V и W:
(C1 + C2) + C2 * e^(-ξ) + (C1 + C2) * e^(-ξ) = -V - W.
Решением этого уравнения будет функция V(ξ, η):
V(ξ, η) = -(C1 + C2) - C2 * e^(-ξ) - (C1 + C2) * e^(-ξ).
Заметим, что решение для функции W может быть получено аналогичными рассуждениями. Таким образом, общее решение исходного уравнения Uxx + yUx + xUy + xyU = 0 будет иметь вид:
U(ξ, η) = Q(ξ, η) / ξ = R(ξ) / ξ = (C1 + C2 * e^(-ξ)) / ξ,
где С1 и С2 - произвольные постоянные.
Таким образом, найдено общее решение заданного уравнения Uxx + yUx + xUy + xyU = 0 и оно задается выражением U(ξ, η) = (C1 + C2 * e^(-ξ)) / ξ, где С1 и С2 - произвольные постоянные.