高等数学同济第五版(下)微分方程.ppt
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1、微分方程,第十二章,积分问题,微分方程问题,推广,一阶微分方程,高阶微分方程,微分方程的基本概念,第一节,微分方程的基本概念,引例,几何问题,物理问题,第十二章,引例1.,一曲线通过点(1,2),在该曲线上任意点处的,解:设所求曲线方程为 y=y(x),则有如下关系式:,(C为任意常数),由 得 C=1,因此所求曲线方程为,由 得,切线斜率为 2x,求该曲线的方程.,引例2.列车在平直路上以,的速度行驶,制动时,获得加速度,求制动后列车的运动规律.,解:设列车在制动后 t 秒行驶了s 米,已知,由前一式两次积分,可得,利用后两式可得,因此所求运动规律为,即求 s=s(t).,常微分方程,偏微分
2、方程,含未知函数及其导数的方程叫做微分方程.,方程中所含未知函数导数的最高阶数叫做微分方程,(本章内容),(n 阶显式微分方程),微分方程的基本概念,一般地,n 阶常微分方程的形式是,的阶.,分类,或,使方程成为恒等式的函数.,通解,解中所含独立的任意常数的个数与方程,确定通解中任意常数的条件.,n 阶方程的初始条件(或初值条件):,的阶数相同.,特解,通解:,特解:,微分方程的解,不含任意常数的解,定解条件,其图形称为积分曲线.,线性:未知函数及其各阶导数都是一次的。,第二节,第十二章,一阶微分方程,一、可分离变量微分方程,二、齐次方程,三、全微分方程(数一),四、一阶线性微分方程,一、可分
3、离变量微分方程,转化,解分离变量方程,可分离变量方程,分离变量方程的解法:,设 y(x)是方程的解,两边积分,得,则有恒等式,当G(y)与F(x)可微且 G(y)g(y)0 时,说明由确定的隐函数 y(x)是的解.,则有,称为方程的隐式通解,或通积分.,同样,当F(x),=f(x)0 时,上述过程可逆,由确定的隐函数 x(y)也是的解.,例1.求微分方程,的通解.,解:分离变量得,两边积分,得,即,(C 为任意常数),或,说明:在求解过程中每一步不一定是同解变形,因此可能增、,减解.,(此式含分离变量时丢失的解 y=0),例2.解初值问题,解:分离变量得,两边积分得,即,由初始条件得 C=1,
4、(C 为任意常数),故所求特解为,例3.求下述微分方程的通解:,解:令,则,故有,即,解得,(C 为任意常数),所求通解:,练习:,解法 1 分离变量,即,(C 0),解法 2,故有,积分,(C 为任意常数),所求通解:,二、齐次方程,一、齐次方程,二、可化为齐次方程,一、齐次方程,形如,的方程叫做齐次方程.,令,代入原方程得,两边积分,得,积分后再用,代替 u,便得原方程的通解.,解法:,分离变量:,例1.解微分方程,解:,代入原方程得,分离变量,两边积分,得,故原方程的通解为,(当 C=0 时,y=0 也是方程的解),(C 为任意常数),例2.解微分方程,解:,则有,分离变量,积分得,代回
5、原变量得通解,即,说明:显然 x=0,y=0,y=x 也是原方程的解,但在,(C 为任意常数),求解过程中丢失了.,(h,k 为待,二、可化为齐次方程的方程(数一),作变换,原方程化为,令,解出 h,k,(齐次方程),定常数),求出其解后,即得原方,程的解.,原方程可化为,令,(可分离变量方程),注:上述方法可适用于下述更一般的方程,例4.求解,解:,令,得,再令 YX u,得,令,积分得,代回原变量,得原方程的通解:,得 C=1,故所求特解为,思考:若方程改为,如何求解?,提示:,三、一阶线性微分方程,一、一阶线性微分方程,二、伯努利方程,一、一阶线性微分方程,一阶线性微分方程标准形式:,若
6、 Q(x)0,称为非齐次方程.,1.解齐次方程,分离变量,两边积分得,故通解为,称为齐次方程;,对应齐次方程通解,齐次方程通解,非齐次方程特解,2.解非齐次方程,用常数变易法:,则,故原方程的通解,即,即,作变换,两端积分得,例1.解方程,解:先解,即,积分得,即,用常数变易法求特解.令,则,代入非齐次方程得,解得,故原方程通解为,例2、,解:,例3.求方程,的通解.,解:注意 x,y 同号,由一阶线性方程通解公式,得,故方程可,变形为,所求通解为,例4、解微分方程,解:,方程变形为,令,方程化为,二、伯努利(Bernoulli)方程(数一),伯努利方程的标准形式:,令,求出此方程通解后,除方
7、程两边,得,换回原变量即得伯努利方程的通解.,解法:,(线性方程),例4.求方程,的通解.,解:令,则方程变形为,其通解为,将,代入,得原方程通解:,内容小结,1.一阶线性方程,方法1 先解齐次方程,再用常数变易法.,方法2 用通解公式,化为线性方程求解.,2.伯努利方程,思考与练习,判别下列方程类型:,提示:,可分离 变量方程,齐次方程,线性方程,线性方程,伯努利方程,1.求一连续可导函数,使其满足下列方程:,提示:,令,则有,利用公式可求出,2.设有微分方程,其中,试求此方程满足初始条件,的连续解.,解:1)先解定解问题,利用通解公式,得,利用,得,故有,2)再解定解问题,此齐次线性方程的
8、通解为,利用衔接条件得,因此有,3)原问题的解为,四、全微分方程(数一),判别:,P,Q 在某单连通域D内有连续一阶偏导数,为全微分方程,则,求解步骤:,方法1 凑微分法;,方法2 利用积分与路径无关的条件.,1.求原函数 u(x,y),2.由 d u=0 知通解为 u(x,y)=C.,一、全微分方程,则称,为全微分方程.,例1.求解,解:因为,故这是全微分方程.,则有,因此方程的通解为,例2.求解,解:,这是一个全微分方程.,用凑微分法求通解.,将方程改写为,即,故原方程的通解为,或,可降阶高阶微分方程,第三节,一、型的微分方程,二、型的微分方程,三、型的微分方程,(数一、数二),一、,令,
9、因此,即,同理可得,依次通过 n 次积分,可得含 n 个任意常数的通解.,型的微分方程,例1.,解:,型的微分方程,设,原方程化为一阶方程,设其通解为,则得,再一次积分,得原方程的通解,二、,例3.求解,解:,代入方程得,分离变量,积分得,利用,于是有,两端再积分得,利用,因此所求特解为,三、,型的微分方程,令,故方程化为,设其通解为,即得,分离变量后积分,得原方程的通解,例4.求解,代入方程得,两端积分得,(一阶线性齐次方程),故所求通解为,解:,例5.解初值问题,解:令,代入方程得,积分得,利用初始条件,根据,积分得,故所求特解为,得,为曲边的曲边梯形面积,上述两直线与 x 轴围成的三角形
10、面,例6.,二阶可导,且,上任一点 P(x,y)作该曲线的,切线及 x 轴的垂线,区间 0,x 上以,解:,于是,在点 P(x,y)处的切线倾角为,满足的方程.,积记为,(99 考研),再利用 y(0)=1 得,利用,得,两边对 x 求导,得,定解条件为,方程化为,利用定解条件得,得,故所求曲线方程为,内容小结,可降阶微分方程的解法,降阶法,逐次积分,令,令,第四节,第十二章,高阶微分方程,1、高阶微分方程解的结构,2、常系数齐次线性微分方程,3、常系数非齐次线性微分方程,一、高阶线性微分方程解的结构,一、线性齐次方程解的结构,二、线性非齐次方程解的结构,n 阶线性微分方程的一般形式为,为二阶
11、线性微分方程.,时,称为非齐次方程;,时,称为齐次方程.,复习:一阶线性方程,通解:,非齐次方程特解,齐次方程通解Y,证毕,一、线性齐次方程解的结构,是二阶线性齐次方程,的两个解,也是该方程的解.,证:,代入方程左边,得,(叠加原理),定理1.,说明:,不一定是所给二阶方程的通解.,例如,是某二阶齐次方程的解,也是齐次方程的解,并不是通解,但是,则,为解决通解的判别问题,下面引入函数的线性相关与,线性无关概念.,定义:,是定义在区间 I 上的,n 个函数,使得,则称这 n个函数在 I 上线性相关,否则称为线性无关.,例如,在(,)上都有,故它们在任何区间 I 上都线性相关;,又如,,若在某区间
12、 I 上,则根据二次多项式至多只有两个零点,必需全为 0,可见,在任何区间 I 上都 线性无关.,若存在不全为 0 的常数,两个函数在区间 I 上线性相关与线性无关的充要条件:,线性相关,存在不全为 0 的,使,线性无关,常数,思考:,中有一个恒为 0,则,必线性,相关,线性无关,定理 2.,是二阶线性齐次方程的两个线,性无关特解,则,数)是该方程的通解.,例如,方程,有特解,且,常数,故方程的通解为,推论.,是 n 阶齐次方程,的 n 个线性无关解,则方程的通解为,二、线性非齐次方程解的结构,是二阶非齐次方程,的一个特解,Y(x)是相应齐次方程的通解,定理 3.,则,是非齐次方程的通解.,证
13、:将,代入方程左端,得,是非齐次方程的解,又Y 中含有,两个独立任意常数,例如,方程,有特解,对应齐次方程,有通解,因此该方程的通解为,证毕,因而 也是通解.,定理4、若,是二阶非齐次方程,的特解,则,是齐次方程的解。,证明:,两式相减,定理 5.,分别是方程,的特解,是方程,的特解.(非齐次方程之解的叠加原理),定理3,定理4 均可推广到 n 阶线性非齐次方程.,定理 6.,是对应齐次方程的 n 个线性,无关特解,给定 n 阶非齐次线性方程,是非齐次方程的特解,则非齐次方程,的通解为,齐次方程通解,非齐次方程特解,常数,则该方程的通解是().,设线性无关函数,都是二阶非齐次线,性方程,的解,
14、是任意,例1.,提示:,都是对应齐次方程的解,二者线性无关.(反证法可证),(89 考研),例2.,已知微分方程,个解,求此方程满足初始条件,的特解.,解:,是对应齐次方程的解,且,常数,因而线性无关,故原方程通解为,代入初始条件,故所求特解为,有三,例3、(10、二、三),设,是一阶线性齐次微分方程,的两个特解,若常数,使,的解,,则(),是该方程,是该方程对应的齐次方程的解,,A.,B.,C.,D.,二、常系数,齐次线性微分方程,基本思路:,求解常系数线性齐次微分方程,求特征方程(代数方程)之根,转化,二阶常系数齐次线性微分方程:,和它的导数只差常数因子,代入得,称为微分方程的特征方程,1
15、.当,时,有两个相异实根,方程有两个线性无关的特解:,因此方程的通解为,(r 为待定常数),所以令的解为,则微分,其根称为特征根.,2.当,时,特征方程有两个相等实根,则微分方程有一个特解,设另一特解,(u(x)待定),代入方程得:,是特征方程的重根,取 u=x,则得,因此原方程的通解为,3.当,时,特征方程有一对共轭复根,这时原方程有两个复数解:,利用解的叠加原理,得原方程的线性无关特解:,因此原方程的通解为,小结:,特征方程:,实根,以上结论可推广到高阶常系数线性微分方程.,若特征方程含 k 重复根,若特征方程含 k 重实根 r,则其通解中必含对应项,则其通解中必含,对应项,特征方程:,推
16、广:,例1.,的通解.,解:特征方程,特征根:,因此原方程的通解为,例2.求解初值问题,解:特征方程,有重根,因此原方程的通解为,利用初始条件得,于是所求初值问题的解为,例4.,的通解.,解:特征方程,特征根:,因此原方程通解为,例5.,解:特征方程:,特征根:,原方程通解:,(不难看出,原方程有特解,例6.,解:特征方程:,即,其根为,方程通解:,例7.,解:特征方程:,特征根为,则方程通解:,内容小结,特征根:,(1)当,时,通解为,(2)当,时,通解为,(3)当,时,通解为,可推广到高阶常系数线性齐次方程求通解.,为特解的 4 阶常系数线性齐次微分方程,并求其通解.,解:根据给定的特解知
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