1 常微分方程的基本知识
常微分方程基本概念
常微分方程基本概念常微分方程（Ordinary Differential Equations，简称ODE）是数学分析中的一个重要分支，研究的是一元函数的导数与自变量之间的关系。
它在物理学、工程学、生物学等领域具有广泛的应用。
本文将介绍常微分方程的基本概念和相关知识。
一、常微分方程的定义常微分方程是描述未知函数的导数与自变量之间关系的方程。
一般形式可以表示为：dy/dx = f(x, y)其中，y是未知函数，x是自变量，f(x, y)是已知函数。
二、常微分方程的阶数常微分方程根据未知函数的最高阶导数的阶数不同，可以分为一阶、二阶、高阶等不同阶数的微分方程。
1. 一阶微分方程一阶微分方程是指含有一阶导数的方程。
一般形式可以表示为：dy/dx = f(x, y)例如，y' = 2x + 1就是一个一阶微分方程，其中y'表示y对x的一阶导数。
2. 二阶微分方程二阶微分方程是指含有二阶导数的方程。
一般形式可以表示为：d²y/dx² = f(x, y, dy/dx)例如，y'' + y = 0就是一个二阶微分方程，其中y''表示y对x的二阶导数。
三、常微分方程的初值问题和边值问题常微分方程除了描述函数的导数与自变量之间的关系外，还可以给出一些初始条件或边界条件，从而确定唯一的解。
1. 初值问题初值问题是指在微分方程中给出了函数在某一点的初值条件，要求求解出满足该条件的解。
一般形式可以表示为：dy/dx = f(x, y)，y(x₀) = y₀其中，y(x₀) = y₀表示在点(x₀, y₀)处给定了函数的初始值条件。
2. 边值问题边值问题是指在微分方程中给出了函数在多个点的边界条件，要求求解出满足这些条件的解。
一般形式可以表示为：dy/dx = f(x, y)，y(a) = y_a，y(b) = y_b其中，y(a) = y_a和y(b) = y_b表示在点(a, y_a)和(b, y_b)处给定了函数的边界条件。
常微分方程的求解及其应用
常微分方程的求解及其应用常微分方程是微积分中十分重要的一个分支。
通过解决微分方程，我们可以得到模型在不同情况下的变化，进而为实际问题的解决提供了关键性所在。
本文将介绍常微分方程的求解及其应用。
一、常微分方程的基础知识在介绍常微分方程的求解之前，我们先来了解一些常微分方程的基础知识。
常微分方程是指只有一个自变量的微分方程，即形如：$$\frac{dy}{dx}=f(x,y)$$其中y是自变量，x是因变量，f(x,y)是一个已知函数。
上述方程也可以写成以下形式：$$y'=f(x,y)$$其中y'表示y对x的导数。
二、常微分方程的求解方法1.可分离变量法可分离变量法是常微分方程最常用的求解方法。
该方法的主要思想是将变量y和x分离，即将f(x,y)拆分为g(x)h(y)，使得原方程可写成以下形式：$$\frac{dy}{dx}=g(x)h(y)$$然后将上式两边分别积分即可。
以求解一阶线性微分方程为例，其形式为：$$y'+p(x)y=q(x)$$首先，将右式中的q(x)移到左边，得到：$$y'+p(x)y-q(x)=0$$然后，应用一个分离变量法的思想，令p(x)=P'(x)，即可将该方程写成：$$\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)$$然后，我们使用降阶的方法将该一阶方程转换为首阶方程。
具体来说，将y分离出来，得到：$$\frac{dy}{dx}=-P(x)y+Q(x)$$我们令u(x)=e^{\int P(x)dx}，则上式可以写成：$$u(x)\frac{dy}{dx}-u(x)P(x)y=u(x)Q(x)$$将上式两边同时积分，得到：$$u(x)y=\int u(x)Q(x)dx+C$$其中C为常数，e^{\int P(x)dx}也可以写成常数K。
这样，我们就求解出了一阶线性微分方程。
2.参数化方法参数化方法是常微分方程的另一种常见求解方法。
该方法的核心是寻找一条曲线，使得函数y(x)可以表示为该曲线上某点的函数。
一阶常微分方程
一阶常微分方程在数学中，一阶常微分方程是一种非常基础而重要的概念。
它描述了物理现象和自然现象中的变化规律，是自然和工程科学中不可或缺的数学工具。
在本文中，我们将探讨一阶常微分方程的定义、求解方法以及应用。
一、一阶常微分方程的定义一阶常微分方程是指只包含一个自变量和一个未知函数的一阶微分方程，它的一般形式可以表示为：y' = f(x, y)其中y'是y关于x的导数，f(x, y)是x和y的函数。
这个等式可以理解为y关于x的变化速率等于f(x, y)。
二、一阶常微分方程的求解方法一阶常微分方程有多种求解方法，其中比较常用的方法有分离变量法、同解法、一阶线性微分方程的解法和常数变易法等。
1.分离变量法如果一阶常微分方程的右边可以写成两个只含x和y的函数的乘积（即f(x, y) = g(x)h(y)），那么我们可以将它改写成：dy/h(y) = g(x)dx将方程两边分别对x和y求积分，即可得到：∫dy/h(y) = ∫g(x)dx + C其中C为常数。
2.同解法如果我们有两个相似的一阶常微分方程，它们只有一个参数不同（例如y' = f(x, y, a)和y' = f(x, y, b)），那么它们的解通常也是相似的。
我们可以先用一个形式通解表示其中一个解，然后通过代入不同的参数值来求得所有解。
3.一阶线性微分方程的解法一阶线性微分方程的一般形式为：y' + p(x)y = q(x)其中p(x)和q(x)为x的函数。
我们可以通过变换再将它的形式转化为：(dy/dx) + p(x)y = q(x)这个方程可以用变量分离法和常数变易法进行求解。
4.常数变易法常数变易法是一种较为通用的求解方法。
它的基本思想是将通解表示为一个形式相同但常数不同的一组解的线性组合。
设y1和y2是方程的两个解，那么它们的线性组合可以写成y = C1y1 +C2y2的形式，其中C1和C2为常数。
常微分方程知识点整理
常微分方程知识点整理常微分方程是数学中的一个重要分支，研究描述自然界中各种变化规律的微分方程。
在物理、工程、经济学等领域具有广泛的应用。
本文将对常微分方程的基本概念、分类、求解方法等知识点进行整理。
一、常微分方程的基本概念常微分方程是指未知函数的导数及其自变量的关系式。
一般形式为dy/dx = f(x, y)，其中y是未知函数，x是自变量，f是已知的函数。
常微分方程可以分为一阶常微分方程和高阶常微分方程。
1. 一阶常微分方程：一阶常微分方程是指方程中只涉及到一阶导数的微分方程。
常见形式为dy/dx = f(x, y)。
其中f(x, y)是已知的函数，也可以是常数。
2. 高阶常微分方程：高阶常微分方程是指方程中涉及到二阶及以上导数的微分方程。
常见形式为d^n y/dx^n = f(x, y, dy/dx, ..., d^(n-1)y/dx^(n-1))，其中n为方程的阶数，f是已知的函数。
二、常微分方程的分类根据方程的形式和性质，常微分方程可以分为线性常微分方程、非线性常微分方程、齐次线性常微分方程等多种类型。
1. 线性常微分方程：线性常微分方程是指方程中未知函数及其导数之间的关系是线性的微分方程。
常见形式为a_n(x) d^n y/dx^n + a_(n-1)(x) d^(n-1)y/dx^(n-1) + ... + a_1(x) dy/dx + a_0(x) y = f(x)，其中a_n(x)、a_(n-1)(x)、...、a_1(x)、a_0(x)是已知的函数。
2. 非线性常微分方程：非线性常微分方程是指方程中未知函数及其导数之间的关系是非线性的微分方程。
常见形式为dy/dx = f(x, y)，其中f(x, y)是已知的非线性函数。
3. 齐次线性常微分方程：齐次线性常微分方程是指方程中没有常数项的线性常微分方程。
常见形式为a_n(x) d^n y/dx^n + a_(n-1)(x) d^(n-1)y/dx^(n-1) + ... + a_1(x) dy/dx + a_0(x) y = 0。
高中数学中的常微分方程知识点
高中数学中的常微分方程知识点一、引言常微分方程是数学中的一个重要分支，它在自然科学、社会科学和工程技术等领域有着广泛的应用。
高中数学中的常微分方程知识点主要包括一阶微分方程、二阶微分方程和常微分方程的解法等内容。
二、一阶微分方程1. 概念一阶微分方程是指形如dy/dx + P(x)y = Q(x)的方程，其中P(x)和Q(x)是关于自变量x的已知函数。
2. 解法（1）分离变量法：将方程中的y和x分离，化为y = f(x)的形式，然后对两边进行积分。
（2）积分因子法：找出一个函数μ(x)，使得原方程两边乘以μ(x)后，可以化为dy/dx + μP(x)y = μQ(x)的形式，然后利用积分因子公式求解。
（3）变量替换法：选择一个合适的变量替换，将原方程化为简单的一阶微分方程，然后求解。
3. 例子求解方程dy/dx + 2y = e^x。
（1）分离变量法：dy/y = e^x dx∫ dy = ∫ e^x dxy = e^x + C其中C是积分常数。
（2）积分因子法：μ(x) = e^(-∫ 2dx) = e^(-2x)μ(dy/dx + 2y) = μQ(x)e^(-2x)dy/dx + 2e^(-2x)y = e(-2x)e x(-dy/dx + 2y)e^(2x) = 1-dy/dx + 2y = e^(-2x)利用积分因子公式求解，得到：y * e^(2x) = -∫ e^(-2x) dx + Cy = (-1/2)e^(-2x) + C/e^(2x)三、二阶微分方程1. 概念二阶微分方程是指形如d²y/dx² + P(x)dy/dx + Q(x)y = R(x)的方程，其中P(x)、Q(x)和R(x)是关于自变量x的已知函数。
2. 解法（1）常数变易法：假设y = e^(αx)，代入原方程，得到关于α的二次方程，求解得到α的值，进而求出y的解。
（2）待定系数法：假设y = e^(αx)的系数为待定系数，代入原方程，得到关于待定系数的方程，求解得到待定系数的值，进而求出y的解。
常微分方程常微分方程的基本概念和求解方法
常微分方程常微分方程的基本概念和求解方法常微分方程（Ordinary Differential Equations，简称ODE）是描述自变量只有一个的未知函数及其导数之间关系的方程。
在物理学、工程学、经济学等领域中，常微分方程被广泛应用于各种问题的建模与求解。
本文将介绍常微分方程的基本概念和求解方法。
一、常微分方程的基本概念常微分方程是描述未知函数及其导数之间关系的数学方程。
一般来说，常微分方程可以分为一阶常微分方程和高阶常微分方程两大类。
一阶常微分方程中未知函数的导数最高只有一阶导数，而高阶常微分方程中未知函数的导数可以是二阶、三阶，甚至更高阶的导数。
常微分方程的解是指能够满足方程条件的函数形式，解的形式可以是显式解或隐式解。
显式解是直接给出的解析表达式，而隐式解则是以方程的形式给出。
常微分方程的解集通常具有唯一性。
其中，初始值问题（Initial Value Problem，简称IVP）是对常微分方程的一种特殊求解方法。
在初始值问题中，除了给出方程本身的条件外，还需给出未知函数在某一点的值，用于确定解的具体形式。
二、常微分方程的求解方法常微分方程有多种求解方法，常见的方法包括分离变量法、二阶线性微分方程的特解法和常系数线性齐次微分方程的特征根法等。
具体求解方法选择取决于方程的形式和性质。
1. 分离变量法（Separation of Variables）分离变量法适用于可以将方程的变量分离并分别对各个变量积分的情况。
首先，将方程中的未知函数和其导数分别放在等号两边，然后对方程两边同时积分，最后解出未知函数。
2. 二阶线性微分方程的特解法对于二阶线性微分方程，可以采用特解法求解。
特解法的基本思想是假设未知函数的解具有特定形式，代入方程后求解得到特解。
特解法适用于方程的解一般形式已知的情况。
3. 常系数线性齐次微分方程的特征根法对于常系数线性齐次微分方程，可以采用特征根法求解。
特征根法的基本思想是假设未知函数的解具有指数形式，代入方程后求解得到特征根和特征向量。
高中数学常微分方程知识点总结
高中数学常微分方程知识点总结微分方程是数学中的一个重要分支，它描述了变量之间的关系以及它们的变化率。
在高中数学课程中，学生们需要学习常微分方程的知识，并且利用这些知识解决实际问题。
本文将对高中数学中常微分方程的主要知识点进行总结。
一、常微分方程的基本概念常微分方程是包含未知函数的泛函方程，其一般形式为：dy/dx = f(x, y)。
其中，y是未知函数，f(x, y) 是已知的函数。
常微分方程的解是能够满足该方程的函数。
二、常微分方程的分类常微分方程可分为一阶常微分方程和高阶常微分方程。
1.一阶常微分方程一阶常微分方程是指未知函数的导数最高次数为一的微分方程，其一般形式为：dy/dx = f(x, y)。
一阶常微分方程的解可以通过分离变量、齐次方程、一阶线性方程等方法求解。
2.高阶常微分方程高阶常微分方程是指未知函数的导数最高次数大于一的微分方程。
高阶常微分方程的求解可以通过转换为一阶方程组、特解叠加法、特征方程等方法求解。
三、常微分方程的解法1.分离变量法对于一阶常微分方程，若可以将未知函数y和自变量x分离，则可以将方程化简为两个变量的乘积形式，从而可以通过分离变量的方式求解出y的表达式。
2.齐次方程法对于一阶常微分方程，若可以将未知函数y和自变量x在方程中通过同一个变量替换成比值的形式，则可以将方程化简为一个纯含有未知函数y的方程，从而可以通过变量代换解出y的表达式。
3.线性方程法对于一阶常微分方程，若可以将方程化简为形如dy/dx + P(x)y =Q(x)的线性方程，则可以通过积分因子或待定系数法等方法求解出未知函数y的表达式。
4.特解叠加法对于高阶常微分方程，可以通过叠加一般解和特解的方式求解出方程的解。
一般解是该方程的任意解，特解是方程的一个特殊解。
5.特征方程法对于高阶常微分方程，可以通过求解该方程的特征方程得到方程的特解形式。
特征方程是该方程对应的齐次方程的根的特征方程，通过求解特征方程的根可以得到方程的特解形式。
《常微分方程》知识点
《常微分方程》知识点常微分方程，又称ODE（Ordinary Differential Equation），是研究未知函数的导数与自变量之间的关系的数学学科。
常微分方程在科学和工程领域中有着广泛的应用，涉及到许多重要的数学原理和方法。
下面将介绍常微分方程的一些重要知识点。
1.基本概念-常微分方程的定义：常微分方程是描述未知函数在其中一区域上的导数与自变量之间的关系的方程。
-方程的阶数：常微分方程中最高阶导数的阶数称为方程的阶数。
-解和解集：满足常微分方程的未知函数称为方程的解，所有满足方程的解的集合称为方程的解集。
2.常微分方程的分类-分离变量法：适用于可以通过变量分离的常微分方程，将所有含有未知函数的项移到方程的一边，其他项移到方程的另一边，然后两边同时积分求解。
-齐次方程：适用于可以化为齐次方程的常微分方程，通过进行变量的代换，将方程转化为一个只含有未知函数的项的齐次方程，然后求解。
-线性齐次方程：适用于可以化为线性齐次方程的常微分方程，通过变量的代换，将方程转化为一个只包含未知函数和其导数的项的线性齐次方程，然后求解。
-非齐次方程：适用于非齐次方程的常微分方程，可以通过对应的齐次方程的解和特解的叠加，得到非齐次方程的解。
-可降阶的方程：这类方程具有特殊的形式，通过进行变量的代换，可以将高阶常微分方程转化为一阶或者低阶的方程，然后求解。
3.常微分方程的解法-解析解：指通过直接计算得到的解析表达式，能够准确地求得方程的解。
-数值解：指通过数值计算的方法，例如欧拉法、龙格-库塔法等，近似求解方程的解。
4.常用的一阶常微分方程- 可分离变量的方程：形如dy/dx = f(x)g(y)，通过将变量分离，然后积分求解得到解析解。
- 齐次方程：形如dy/dx = f(y/x)，通过进行变量的代换，将方程转化为一个只含有未知函数的项的齐次方程，然后求解。
- 线性方程：形如dy/dx + p(x)y = q(x)，通过变量的代换，将方程转化为一个只包含未知函数和其导数的项的线性齐次方程，然后求解。
大二常微分方程知识点
大二常微分方程知识点常微分方程是数学中非常重要的一个分支，它研究的是指导自然界中各种现象变化规律的方程。
在大二学习阶段，我们需要掌握一些常微分方程的基本知识点，接下来将逐一介绍。
1. 常微分方程的定义及基本概念常微分方程是指包含一个未知函数及其导数的方程，并且仅涉及一个自变量。
常微分方程的解是未知函数的函数表达式，它满足方程本身以及初值条件。
常微分方程一般可以分为初值问题和边值问题。
初值问题是指在给定某一时刻的初值条件下，求解方程的解；而边值问题是在给定一定边界条件下，求解方程的解。
2. 一阶常微分方程一阶常微分方程是指方程中最高导数的阶数为一的常微分方程。
它可以分为可分离变量的一阶常微分方程、线性一阶常微分方程和齐次线性一阶常微分方程等。
可分离变量的一阶常微分方程可以通过对方程两边进行变量分离，然后进行积分求解。
线性一阶常微分方程可以通过求解其特征方程，得到通解。
如果已知特解，可以通过通解加上特解得到特定解。
齐次线性一阶常微分方程则可以转化为线性一阶常微分方程，并且其特征方程只有一个解。
3. 高阶常微分方程高阶常微分方程是指方程中最高导数的阶数大于一的常微分方程。
它可以分为常系数线性高阶常微分方程和非齐次线性高阶常微分方程等。
常系数线性高阶常微分方程可以通过求解其特征方程，得到通解。
如果已知特解，可以通过通解加上特解得到特定解。
非齐次线性高阶常微分方程则可以转化为常系数线性高阶常微分方程，并且其特征方程有多个解。
4. 常微分方程的解法技巧在解常微分方程时，我们可以借助一些常见的解法技巧，如变量分离法、齐次方程法、常数变易法、欧拉方程等。
变量分离法是指通过将方程中的变量分离，然后进行积分求解。
齐次方程法适用于齐次的高阶常微分方程，在此方法中，我们需要进行代换，将齐次方程转化为一阶常微分方程。
常数变易法适用于非齐次的高阶常微分方程，我们通过猜测特解的形式，并代入方程，再确定常数的值。
欧拉方程是针对常系数线性高阶常微分方程的解法，其中特解形式为 e^rx。
常微分方程的大致知识点
常微分方程的大致知识点Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】常微分方程的大致知识点（一）初等积分法1、线素场与等倾线2、可分离变量方程3、齐次方程（一般含有xy y x 或的项） 4、一阶线性非齐次方程常数变易法，或])([)()(⎰+⎰⎰=-C dx e x b e y dx x a dx x a5、伯努力方程令n y z -=1，则dxdy y n dx dz n--=)1(，可将伯努力方程化成一阶线性非齐次或一阶线性齐次 6、全微分方程 若xN y M ∂∂=∂∂，则C y x u =),(，（留意书上公式） 若x N y M ∂∂≠∂∂，则找积分因子，（留意书上公式） 7、可降阶的二阶微分方程),(22dx dy x f dx y d =，令dx dy dxy d p dx dy ==22,则 ),(22dx dy y f dxy d =，令dy dp p dx y d p dx dy ==22,则 8、正交轨线族（二）毕卡序列⎰+=xx dx y x f y y 0),(001，⎰+=x x dx y x f y y 0),(102，⎰+=xx dx y x f y y 0),(203，其余类推 （三）常系数方程1、常系数齐次0)(=y D L方法：特征方程单的实根21,λλ，x x e C e C y 2121λλ+=单的复根i βαλ±=2,1，)sin cos (21x C x C e y x ββα+=重的实根λλλ==21，x e x C C y λ)(21+=重的复根i βαλ±=2,1，i βαλ±=4,3，]sin )(cos )[(4321x x C C x x C C e y x ββα+++=2、常系数非齐次)()(x f y D L =方法：三部曲。
第一步求0)(=y D L 的通解Y第二步求)()(x f y D L =的特解*y第三步求)()(x f y D L =的通解*y Y y +=如何求*y当x m e x P x f α)()(=时，=*y x m k e x Q x α)(当vx e x Q vx e x P x f ux m ux m sin )(cos )()(+=时，=*y )sin )(cos )((vx x S vx x R e x m m ux k + 当)(x f 是一般形式时，=*y ξξξξd f W x W xx )()(),(0⎰，其中W(.)是郎斯基行列式 （四）常系数方程组方法：三部曲。
1 常微分方程的基本知识
常微分方程的基本知识 线性微分方程组理论 高阶线性微分方程
2007年8月 南京航空航天大学 理学院 数学系 1
一. 什么是微分方程？
方 程： 含有未知量的等式. 未知量是数. 代数方程 超越方程： 函数方程： 微分方程:
含有自变量,未知函数及其导数的等式。
未知量是函数.
2007年8月
南京航空航天大学 理学院 数学系
dy dny 则称y (x) 为方程 F(x, y, , , n ) 0 dx dx 在I上的一个(显式)解.
微分方程的解: 代入微分方程能使方程成为恒等式的函数.
2007年8月 南京航空航天大学 理学院 数学系 13
例： 验证y sinx, y cosx都是微分方程
y y 0在(,)上的一个解.
2
微分方程:
联系着自变量,未知函数及其导数的关系式.
为了定量地研究一些实际问题的变化规律,往往是 要对所研究的问题进行适当的简化和假设,建立数学 模型,当问题涉及变量的变化率时,该模型就是微分方 程。
2007年8月
南京航空航天大学 理学院 数学系
3
例 1 一 曲 线 通 过 点 (1,2), 且 在 该 曲 线 上 任 一 点
2007年8月
南京航空航天大学 理学院 数学系
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定解条件
为了从通解中得到合乎要求的特解,必须根据实 际问题给微分方程附加一定的条件,称为定解条件. 求满足定解条件的求解问题称为定解问题. 常见的定解条件是初始条件,相应的定解问题称 为初值问题。
过定点且在定点的切线 y f ( x, y, y) 二阶: ( x x y01) 的斜率为定值的积分曲线. y x x0 y0 , y 0
常微分方程的基本概念
常微分方程的基本概念
一、 常微分方程的概念
① 微分方程的概念：凡是表示未知函数、未知函数的导数与自变量之间的关系的方程叫做微分方程。
② 常微分方程的概念：未知函数是一元函数的，
叫做常微分方程。
③ 微分方程阶的概念：微分方程中多出现的未知函数的最高阶导数即是微分方程的阶。
一般地，n 阶微分方程的形式是:
()(...)0n F x y y y y ′′′⋅⋅⋅=
其中F 是n+2个变量的函数，且是必须出现的，而小于n 阶导数的变量不一定要出现。
()n y
④ 微分方程的解：在解决实际问题中，往往建立的微分方程，然后找出满足微分方程的函数（解微分方程），找出的这样的函数带入微分方程，使该微分方程成为恒等式，这个函数就叫做微分方程的解。
⑤ 微分方程的通解：如果微分方程的解中含有任意的常数，且常数的个数与方程的阶数相同，则这样的解叫做微分方程的通解。
⑥ 微分方程的初始条件：设微分方程中的未知函数为()y y x =，如果微分方程是一阶的，通常用来确定任意常数的条件是：
00
y y x x == 00y y x x ′
′== 其中，，都是给定的值，上述这种条件称为微分方程的初始条件。
0x 0y 0
y ′⑦ 微分方程的特解：确定了通解中的任意常数后，得到微分方程
的特解。
二、 线性的概念：
未知函数和各阶导数只出现一次·。
《常微分方程》知识点整理
《常微分方程》知识点整理常微分方程是微分方程的一种，是研究一个独立变量和一个或多个其导数（常见的是一阶或二阶导数）之间关系的方程。
常微分方程在物理、工程、生物学等领域起着重要作用，广泛应用于实际问题的建模和求解过程中。
1.常微分方程的基本定义常微分方程是指未知函数及其导数之间的一个或多个方程。
它可以是一个方程或一组方程，通常描述了函数值与其导数之间的关系，而不涉及到偏导数。
常微分方程可以分为线性常微分方程、非线性常微分方程等多种类型。
2.常微分方程的阶数常微分方程的阶数是指方程中导数的最高阶数。
常见的常微分方程有一阶常微分方程和二阶常微分方程。
一阶常微分方程形式为dy/dx = f(x, y)，二阶常微分方程形式为d^2y/dx^2 = f(x, y, dy/dx)。
3.常微分方程的初值问题常微分方程的初值问题是指在给定一定条件下求解微分方程的解的过程。
它通常通过确定未知函数在其中一点的值以及其导数在该点的值来确定微分方程的解。
求解初值问题需要借助于初值条件和积分常数等概念。
4.常微分方程的解法常微分方程的解法主要包括分离变量法、常数变易法、特征方程法、变量代换法等。
这些方法能够将微分方程转化为容易求解的形式，从而得到微分方程的解析解。
5.常微分方程的数值解法对于复杂的微分方程或无法求得解析解的微分方程，可以采用数值解法进行求解。
常见的数值解法包括欧拉法、改进的欧拉法、龙格-库塔法等，通过数值逼近的方式得到微分方程的近似解。
6.常微分方程的应用常微分方程广泛应用于物理学、工程学、生物学等领域的建模和分析过程中。
例如，牛顿第二定律、振动系统、生物种群动力学等问题都可以用常微分方程来描述和求解。
7.常见的常微分方程问题常见的常微分方程问题包括一阶线性微分方程、二阶线性微分方程、常系数微分方程、非齐次微分方程等。
这些问题在实际应用中经常遇到，求解这些问题需要掌握基本的微分方程理论和方法。
总的来说，常微分方程是微分方程理论中的一个重要分支，它研究了函数与导数之间的关系，并在实际问题的建模和求解中发挥着关键作用。
常微分方程的基本概念与解法
常微分方程的基本概念与解法常微分方程是数学中的一门重要分支，用于描述自然界中的各种变化规律。
本文将介绍常微分方程的基本概念和常见的解法。
一、常微分方程的概念常微分方程是关于未知函数的导数和自变量之间的关系式，其中自变量通常表示时间。
一般形式为dy/dx = f(x, y)，其中y是未知函数，f(x, y)是已知函数。
常微分方程可分为一阶常微分方程和高阶常微分方程两种。
1. 一阶常微分方程一阶常微分方程是指未知函数的导数只涉及到一阶导数的方程。
一阶常微分方程的一般形式为dy/dx = f(x, y)，也可以写成f(x, y)dx - dy = 0。
其中f(x, y)是已知函数，x是自变量，y是未知函数。
2. 高阶常微分方程高阶常微分方程是指未知函数的导数涉及到高阶导数的方程。
高阶常微分方程的一般形式为d^n y/dx^n = f(x, y, dy/dx, d^2 y/dx^2, ..., d^(n-1) y/dx^(n-1))，其中n为正整数，f是已知函数，x是自变量，y是未知函数。
二、常微分方程的解法解常微分方程的方法多种多样，根据方程的类型和特点选择不同的解法。
1. 可分离变量法当方程可以写成dy/dx = g(x)h(y)的形式时，可以使用可分离变量法解方程。
这种方法的关键是将变量分离，即将含有y的项移到方程的一边，含有x的项移到方程的另一边，然后分别积分得到x和y的表达式。
2. 线性常微分方程的求解线性常微分方程是指方程可以写成dy/dx + P(x)y = Q(x)的形式。
对于线性常微分方程，可以使用积分因子法求解。
首先找到一个函数u(x)，使得dy/dx + P(x)y = Q(x)乘以u(x)后变为全导数，则原方程可以写成d(uy)/dx = Q(x)u(x)的形式。
然后对等式两边进行积分并解得y的表达式。
3. 齐次线性常微分方程的求解齐次线性常微分方程是指方程可以写成dy/dx = f(y/x)的形式。
第六讲 常微分方程
第六讲 常微分方程 一 知识点详解（一）常微分方程的概念 1内容展开（1） 定义：含有未知一元函数及其导数和自变量的方程称为常微分方程，简称微分方程 （2） 微分方程的阶：微分方程中含有的未知函数的导数色最高阶称为微分方程的阶 （3） 微分方程的解：1） 解得定义：将()y f x =带入微分方程，使方程称为恒等式，则称()y f x =是微分方程的解 2） 通解：微分方程的解中含有自由常数，且含独立自由常数的个数等于微风方程的阶数，则称该解为通解3） 特届：不含任意常数的解称为微分方程的特解。
求特解时，初始条件的个数等于微分方程的阶数 （二）一介微分方程 1 内容展开（1）变量可分离微分方程 1）方程形式()()'y f x g y =2) 解法 当()0g y ≠时，()()()()'dyy f x g y f x dx g y =⇔= 两边求不定积分()()dy f x dx C g y =+⎰⎰其中拨C 为任意常数，其中()dyg y ⎰表示函数()1g y 的一个原函数，()f x dx ⎰表示函数()f x 的一个原函数若0y 使()00g y =，则0y y =也是原方程的一个特解注：①尽可能把y 写成x 的函数，也尽可能把y 从对数中“解脱”出来 ②不要漏掉()00g y =这种常数解 （2）齐次微分方程 1）方程形式 'y y f x ⎛⎫=⎪⎝⎭2）解法 令y u x =由于''y u xu =+，所以微分方程'y y f x ⎛⎫= ⎪⎝⎭变为()()'1u f u u x =-，这是关于未知函数u 的一个变量可微分方程，由此方程解得未知函数()u u x =，进而得到微分方程的解()()y x xu x =（3）一阶线性微分方程 1）方程形式 ()()'y p x yq x +=当右端项()q x 恒为零时称其为一阶齐次线性微分方程，否则称其为一阶非齐次线性微分方程 2）解法()()()p x dx p x dy y e q x e dx C -⎛⎫⎰⎰=+ ⎪⎝⎭⎰ (4)伯努利方程1）方程形式 形如()()()',0,1n y p x y q x y n +=≠2）解法 令1n u y -=，则伯努利方程变为()()()()'11u n p x u n q x +-=-，这是关于未知函数()u u x =的一个一阶线性微分方程 （5）全微分方程1）方程形式 ()(),,0p x y d x Q x y d y+=，若P Qy x∂∂=∂∂，该方程称为全微分方程 2）解法()()()()00,,,,x y x y P x y dx Q x y dy C +=⎰2 记忆方法（1）齐次微分方程和一阶齐次线性微分方程最终都要化为变量可分离微分方程求解 （2） 齐次微分方程的基本方法是：令y u x=; (3) 一阶非齐次线性微分方程的求解就是记公式 3 例题讲解【例6.1】微分方程()'1y x y x-=的通解是（） 解析：可分离变量微分方程()()11,y x x dy dy dx dx x y x--== 1,dy dx dx y x =-⎰⎰⎰即ln ln y x x C =-+所以xy Cxe -=【例6.2】微分方程'2ln xy y x x +=满足()119y =-的解为（） 解析： 将'2ln xy y x x +=化为'2ln y y x x+=带入通解公式得 222ln 2ln ln ln dx dxx x x x y e x e C e x e dx C --⎡⎤⎰⎰⎡⎤=⋅+=⋅+⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎰⎰221ln x xdx C x ⎡⎤=+⎣⎦⎰ 2ln 39x x C x x=-+由()119y =-求得0C =所以1ln 33x y x ⎛⎫=- ⎪⎝⎭【例6.3】 微分方程312dy y y dx x x ⎛⎫=- ⎪⎝⎭满足11x y==的特解为y=（）解析：令y ux =，有dy du u x dx dx =+原方程化为312du u x u u dx +=-即 32du dx u x =-，积分得21ln x C u =+即22ln x y x C=+ 由于1,1,x y ==得C=1，所以得解y =（三）可降阶微分方程 1内容展开 （1） 方程()()n yf x =求n 次定积分得解（2） 方程()''',y f x y =这类方程的特点是不显含未知函数y ，显含自变量x ，令()'p x y =，则微分方程()''',y f x y =变为()',p f x p =，这是关于()p p x =的一个一阶微分方程（3） 方程()''',y f y y =这类方程的特点是不显含自变量x ，显含未知函数y ，令()'p y y =，则2'2d y d p d p d y p p d x dx dy dx===，因此微分方程()''',y f y y =变为()',p p f y p =这是一个以y 为自变量，()p y 为未知函数的一阶微分方程2记忆方法1） 方程形如()''',y f x y =时，令()'p x y = 2） 方程形如()''',y f y y =时，令()'p y y =3例题讲解【例6.4】微分方程()2'''0yy y+=满足初始条件'011,2x x yy ====的特解是（） 解析：令''',d p d p d y d p y p y p d x d y d x d y ===⋅=原方程化为：20dp yp p dy+=得00dpp yp dy=+=或 0p =不满足初始条件'01x y ==舍弃0dpyp dy +=按分离变量法解之得1C p y=由初始条件'012x y ==解得112C =于是得12dy dx y=解之得22y x C =+以'01x y ==带入，得21C =且取+号所以y =（四）二阶线性微分方程解得性质1内容展开()()()'''y p x y q x y f x ++= ①非齐次()()'''0y p x y q x y ++= ②齐次（1） 若12,y y 是②得解，则123c y c y +也是②的解，其中12,c c 为任意常数 （2） 若12,y y 是②得两个线性无关的解12y c y ⎛⎫≠⎪⎝⎭，则1122yc y c y =+ 是②的通解 （3） 若12,y y 是①的解，则12y y -为②得解（4） 若y是②的通解，*y 是①的特解，则*y y y =+ 是①的通解 （5） 若*1y 是()()()'''1y p x y q x y f x ++=得解，*2y 是()()()'''2y p x y q x y f x ++=的解，则**12y y +是()()()()'''12y p x y q x y f x f x ++=+得解 2记忆方法与线性代数中方程组得解的理论是类似的 3例题讲解 无（五） 高阶常系数线性微分方程 1 内容展开（1） 二阶常系数齐次线性微分方程1） 方程形式 '''0y ay by ++=，其中a,b 是常数 2） 解法（特征方程法）方程20a b λλ++=称为它的特征方程，特征方程的根12,λλ称为它的特征根 ①当12λλ≠且均为实数时，微分方程的通解是()1212xxy x C e C eλλ=+②当12λλ=时，微分方程的通解是()1112xxy x C e C xe λλ=+③当1,2i λαβ=±时，微分方程的通解是()()12cos sin x y x e C x C x αββ=+ （2） 高于二阶常系数齐次线性微分方程方法和二阶常系数线性微分方程类似（3） 二阶常系数非齐次线性微分方程 1） 方程形式()'''y ay by f x ++=2） 解法：由解得性质知，需找到对应齐次方程的通解和非齐次方程的一个特解，下找特解： ①右端项为()xn f x Pe μ=其中()n P x 为n 次多项式设方程的特解形式为()()*k x n yx x Q x e μ=，其中A) ()1110nn n n n Q x a x a xa x a --=++++ ，为n 次多项式的一般形式；B) k 的取值：当μ不是'''0y ay by ++=的特征根时，k=0 当μ是'''0y ay by ++=的单特征根时，k=1 当μ是'''0y ay by ++=的复特征根时，k=2 将()()*k x n yx x Q x e μ=代入微分方程()'''xn y a y b y P x e μ++=求出特定系数(),0,1,2,3,k a k n =②右端项为()()cos xn f x e P x x αβ=的方程，其中()n P x 为n 次多项式设方程的特解形式为()()()*cos sin k x n n yx x e Q x x W x x αββ=+⎡⎤⎣⎦其中“A ）()1110,nn n n n Q x a x a x a x a --=++++ ()1110,n n n n n W x b x b x b x b --=++++B)k 的取值：当i αβ±不是'''0y ay by ++=的特征根时，k=0 当i αβ±是'''0y ay by ++=的特征根时，k=1 将()()()*cos sin k x n n y x x e Q x x W x x αββ=+⎡⎤⎣⎦代入()'''c o s x n y a y b y eP xαβ++=求出待定系数(),0,1,2k k a b k n =注：数三只要求自由项为多项式函数，指数函数，正炫函数，余弦函数的二阶常系数非齐次方程 2记忆方法（1） 方程右端含有三角函数时，所设特解中有与微分方程右端项中最高次幂相同的多项式函数，相同的指数函数和kx （k 的取值取决于右端项中的指数函数x e μ中的μ的作为特征根的重数）（2） 方程右端含有三角函数时，所设特解中有与微分方程右端项中最高次幂相同的多项式函数，相同的指数函数，相同系数正炫函数与余弦函数，和k x （k 的取值取决于右端项中的指数函数x e μ和三角函数()cos sin x x ββ和中的i αβ±是否为特征根）3例题讲解【例6.5】求微分方程'''2432x y y y e -+=的通解解析：与所给方程对应的齐次线性微分方程为'''430y y y -+=它的特征方程为2430r r -+=得特征根121,3r r ==所以，对应齐次线性微分方程的通解为312x x Y C e C e =+由于2不是特征方程的根，故设该非齐次线性微分方程的特解为*2xy Ae=，将()()'''*2*2*2,2,4x x xy Ae y Ae y Ae ===带入原方程，有222244232x x x x Ae Ae Ae e -⋅+=解得2A =-所以*22x y e =-所以，原方程通解为*32122x x x y Y y C e C e e =+=+- （六） 欧拉方程 1内容展开（1） 方程形式 形如()2'''x y axy by f x ++=的微分方程称为2阶欧拉方程，其中a ，b是常数（2） 解法，当0x >时，令'x e =，欧拉方程变为()2'2(1)d y dya by f e dt dt+-+=，这时一个以t 为自变量，y 为未知函数的2阶线性常系数微分方程当0x <时，作变量代换'x e =-，可类似求解 2记忆方法当0x >时令'x e =；当0x <时，令'x e =- 3例题讲解 无 （七） 差分方程 1内容展开 （1）定义一阶常系数齐次线性差分方程 10t t y ay ++=一阶常系数非齐次线性差分方程 ()1t t y ay f t ++=其中()f t 为已知常数，a 为非零常数 （2）其次差分方程的通解通过迭代，并由数学归纳法可得一阶常系数齐次线性差分方程的通解为：()()tC y t C a =⋅-其中C 为任意常数（3） 非齐次差分方程的解得性质1） 若*y 是非齐次差分方程的一个特解，()C y t 是齐次差分方程的通解，则非齐次差分方程的通解为()*t C t y y t y =+2） 若1t y y 和分别是差分方程()11t t y ay f t ++=和()12t t y ay f t ++=的解，则1t y y +是差分方程()()112t t y ay f t f t ++=+得解 （4） 非齐次差分方程的特解形式非齐次差分方程()1t t y ay f t ++=的特解*t y 形式的设定如下表2记忆方法其次差分方程1t t y ay ++的通解为()()tC y t C a =⋅- 非齐次差分方程()1t t y ay f t ++=的特解*t y 形式设定如下3例题讲解【例6.6】差分方程121050t t y y t ++-=的通解为（） 解析：原方程的一般形式为1552t t y y t ++=对应的其次差方程为150t t y y ++=，其通解为()()'5C y t C =-（C 为任意常数）()52f t t =是t 的一次多项式且51a =≠-，故设原方程的特解*t y At B =+带入原方程得()()5152A t B At B t ++++=即5662At A B t ++=比较系数知 55,1272A B ==-故*51126t y t ⎛⎫=- ⎪⎝⎭从而原差分方程的通解为()()'*515126t C t y y t y C t ⎛⎫=+=-+- ⎪⎝⎭三 典型例题【例6.7】设函数()y x 连续，求解方程：()()2012xy s ds y x x +=⎰1） 分析：题目中遇到变项积分一般都是要求导数的 2） 解析：易判断()y x 可导，等式两端对x 求导得：()()'122y x y x x +=在原方程中令()000x y ==得从而得初值问题()'2400y y xy ⎧+=⎪⎨=⎪⎩这是含初始条件时的一阶非齐次线性微分方程，由公式有：222421dx dx xy e xe C x Ce --⎛⎫⎰⎰=+=-+ ⎪⎝⎭⎰代入初始条件()001y C =⇒=所以221x y x e -=-+3） 备注：变限积分与微分方程综合考察时，注意确定初始条件，方法—令积分上下限取值相同 【例6.8】求微分方程''cos y y x x +=+1） 分析：自由项是函数之和时二阶常系数非齐次线性微分方程的特解利用解得叠加原理 2） 解析：原方程对应的 齐次方程''0y y +=的特征方程为210λ+=，特征根1,2,i λ=±故齐次方程的通解为12cos sin yC x C x =+ 设非齐次方程''y y x +=的特解为1y Ax B =+代入方程，得A=1，B=0所以1y x = 设非齐次方程''cos y y x +=的特解为2c o s s i n y Ex x Dx x =+代入方程得10,2E D ==所以21sin 2y x x = 由于12y y +为原方程''cos y y x x +=+的一个特解，所以原方程的通解为12121cos sin sin 2y yy y C x C x x x x =++=+++ 3）备注：数学三不要求自由项是函数之和时二阶常系数非齐次线性微分方程，但大家要学会自由项为一项时的二阶常系数非齐次线性微分方程，即数学三考生要学会解微分方程''y y x +=和''cos y y x +=。
常微分方程知识点
常微分方程知识点常微分方程是微积分的一个重要分支，是描述物理、生物、经济等各类现象的一种数学模型。
常微分方程描述了未知函数与其导数之间的关系，在实际问题中具有广泛的应用。
下面将介绍常微分方程的基本概念、解的存在唯一性、一阶常微分方程和高阶常微分方程等知识点。
1.基本概念：常微分方程描述的是函数与其导数之间的关系。
常微分方程可以分为初值问题和边值问题。
初值问题是给定了函数在特定点的初始值和导数，要求求解函数在整个定义域上的表达式；边值问题是给定了函数在两个点的值，要求求解函数在这两个点之间的表达式。
2.解的存在唯一性：对于一阶常微分方程的初值问题，如果方程的右端函数在整个定义域上连续且满足利普希茨条件，那么方程存在唯一解。
其中利普希茨条件是指有一个正数L，使得对于任意t和s，满足，f(t)-f(s)，≤L，t-s。
3.一阶常微分方程：一阶常微分方程描述的是未知函数y与其一阶导数y'之间的关系。
一阶常微分方程的一般形式为dy/dt = f(t, y)，其中f(t, y)是已知函数。
一阶常微分方程的解可以通过分离变量、线性方程、齐次方程和恰当方程等方法求解。
4.高阶常微分方程：高阶常微分方程描述的是未知函数与其高阶导数之间的关系。
高阶常微分方程的一般形式为d^n y/dt^n = F(t, y, y', ..., y^n-1)，其中F(t, y, y', ..., y^n-1)是已知函数。
高阶常微分方程的解可以通过代数法、特征方程和待定系数法等方法求解。
5.变量分离方法：当一阶常微分方程的右端可以写成g(y)·h(t)的形式时，可以使用变量分离方法求解。
将方程改写为1/g(y) dy = h(t) dt，然后对两边分别积分得到∫1/g(y) dy = ∫h(t) dt，从而求得y的表达式。
6.线性方程方法：当一阶常微分方程可以写成y'+p(t)y=q(t)的形式时，可以使用线性方程方法求解。
一阶常微分方程
一阶常微分方程微分方程是数学中的重要概念，广泛应用于物理、工程、经济等领域。
其中，一阶常微分方程是最简单的微分方程形式之一。
本文将介绍一阶常微分方程的定义、解法和应用。
一、定义一阶常微分方程是指未知函数的导数与自变量的函数关系式，通常表示为dy/dx=f(x)，其中dy/dx表示函数y关于自变量x的导数，f(x)表示已知的函数。
二、解法解一阶常微分方程的方法有多种，常用的包括分离变量法、齐次法和一阶线性微分方程解法等。
1. 分离变量法分离变量法是解一阶常微分方程的基本方法之一。
首先将方程分离成形如dy/g(y)=dx/f(x)的形式，然后进行变量分离和积分，得到y的解析解。
2. 齐次法齐次法适用于形如dy/dx=f(y/x)的齐次方程。
通过引入新变量u=y/x，将一阶常微分方程化为一阶可分离变量方程，然后再进行变量分离和积分。
3. 一阶线性微分方程解法一阶线性微分方程是指形如dy/dx+a(x)y=b(x)的方程。
通过利用一阶线性微分方程的特点，可以使用积分因子或者直接应用公式求解。
三、应用一阶常微分方程在自然科学和工程技术领域中有着广泛的应用。
1. 物理学中的应用一阶常微分方程在描述物理过程中的变化规律上起到了重要的作用。
例如，在力学中，牛顿第二定律可以通过一阶常微分方程进行描述；在电路中，RC电路的电压衰减也可以用一阶常微分方程来模拟。
2. 生态学中的应用生态系统中的各种现象和变化过程也可以通过一阶常微分方程进行描述和预测。
例如，物种的数量随时间的变化、种群的增长与环境的关系等，都可以通过一阶常微分方程来建模和分析。
3. 经济学中的应用经济学中的市场供需关系、物价变化等经济现象都可以通过一阶常微分方程进行建模。
通过对这些微分方程的求解，可以预测经济的发展趋势和进行经济政策的研究与决策。
总结一阶常微分方程作为微分方程中的基础概念，具有重要的理论和实际应用价值。
通过对一阶常微分方程的定义、解法和应用进行学习和掌握，可以更好地理解和应用微分方程，进一步推动科学技术的发展和应用。
常微分方程的基本知识
由n个未知函数构成的一阶微分方程组的一般形式为
dx1 ..., xn ) dt f1 ( t , x1 , x2， dx2 f ( t , x , x ， ， 2 1 2 ..., x n ) dt ............ dxn f ( t , x , x , ..., x ). n 1 2 n dt
总可以引进n-1个新的未知函数，把它化为由n个一 阶微分方程组成的方程组。事实上，
令
dx d2x d n-1 x x1 = x, x2 = , x3 = 2 , ..., xn n1 . dt dt dt
于是方程（1.4）化为下面的一阶方程组：
dx1 dt x2， dx2 x ， 3 dt ............ dx n1 xn dt dxn f ( t , x1 , x2 , ..., xn ). dt
n
(1.6)
其中fi为定义在G (a, b) D, D为R 中的一个区域.
如果引入向量
x1 x2 x= xn ..., xn ) f1 ( t , x1 , x 2， f ( t , x , x ， ..., x ) 1 2 n f (t,x)= 2 f n ( t , x1 , x2 , ..., xn ) dx1 dt dx2 dx dt dt dxn dt
这就组成微分方程组。若设开始时刻t t0 , 两种群个体 的数量分别为x0与y0。
于是要了解此两种种群个体变化的规律，就需要 在条件x |t t0 x0 , y |t t0 y0下求解微分方程组(1.3).
常微分方程常考知识点总结
常微分方程常考知识点总结一、基本概念。
1. 常微分方程的定义。
- 含有一个自变量和它的未知函数以及未知函数的导数（或微分）的等式称为常微分方程。
例如：y' + 2y = 0，这里y = y(x)是未知函数，x是自变量，y'是y对x的一阶导数。
2. 阶数。
- 方程中未知函数导数的最高阶数称为方程的阶。
如y''+3y' - 2y = x是二阶常微分方程，因为方程中未知函数y的最高阶导数是二阶导数y''。
3. 解、通解、特解。
- 解：如果函数y = φ(x)代入常微分方程后，使方程成为恒等式，那么y=φ(x)就称为该常微分方程的解。
- 通解：如果常微分方程的解中含有独立的任意常数，且任意常数的个数与方程的阶数相同，这样的解称为通解。
例如，对于一阶常微分方程y'=y，其通解为y = Ce^x（C为任意常数）。
- 特解：在通解中给任意常数以确定的值而得到的解称为特解。
比如在y = Ce^x中，当C = 1时，y = e^x就是一个特解。
二、一阶常微分方程。
1. 可分离变量方程。
- 形式为g(y)dy = f(x)dx的方程称为可分离变量方程。
- 求解方法：将方程两边同时积分，即∫ g(y)dy=∫ f(x)dx + C，得到方程的通解。
例如，对于方程y'=(y)/(x)，可化为(dy)/(y)=(dx)/(x)，积分得lny=lnx+C，即y = Cx （C≠0）。
2. 齐次方程。
- 形式为y'=φ((y)/(x))的方程称为齐次方程。
- 求解方法：令u = (y)/(x)，则y = ux，y'=u + xu'，原方程化为u+xu'=φ(u)，这是一个可分离变量方程，按照可分离变量方程的方法求解。
例如，对于方程y'=(y)/(x)+tan(y)/(x)，令u=(y)/(x)，方程化为u + xu'=u+tan u，即xu'=tan u，然后分离变量求解。
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dy (1) = 2x ; dx
2 3
(2) xdy − ydx = 0 ;
d 4x d 2x d x dx + 5 2 + 3 x = sin t ; (3) + tx + x = 0 ; (4) 4 dt dt dt 2 dt
一般要求解出最高阶导数： 一般要求解出最高阶导数：
dny dy dny = f x, y , , L , n n dx dx dx
2007年8月 南京航空航天大学 理学院 数学系 19
通过引入n-1个新的未知变量，可以把n阶微分方程 个新的未知变量，可以把 阶微分方程 通过引入 个新的未知变量 化为n个由一阶微分方程组成的微分方程组 个由一阶微分方程组成的微分方程组： 化为 个由一阶微分方程组成的微分方程组： dyn −1 d n y dy1 dy2 d 2 y y1 = y, y2 = , y3 = = 2 , L , yn = = n dx dx dx dx dx
u
u
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例3 R-L-C电路 电路
如图所示的R-L-C电路. 它包含电感L,电阻R,电容C及电源e(t). 设L,R,C均为常数,e(t)是时间t的已知函数.试求当开关K合上后,电 路中电流强度I与时间t之间的关系.
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一阶微分方程组的一般形式： 一阶微分方程组的一般形式：
dx1 = f1 ( t , x1 , x2 ,L , xn ) dt dx2 = f 2 ( t , x1 , x2 ,L , xn ) dt M dx2 = f n ( t , x1 , x2 ,L , xn ) dt
8
电路的Kirchhoff第二定律 第二定律: 第二定律 解: 电路的 在闭合回路中,所有支路上的电压的代数和为零 在闭合回路中 所有支路上的电压的代数和为零. 所有支路上的电压的代数和为零
设当开关K合上后, 电路中在时刻t的电流强度为I(t), 则电流 dI Q L , RI , , 其中Q 经过电感L, 电阻R和电容的电压降分别为 dt C 为电量,于是由Kirchhoff第二定律, 得到
dy1 = y2 dx dy2 = y3 dx M dyn −1 = yn dx dyn = f ( x, y1 , y2 ,L , yn ) dx
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dn y = n dx
dy dn y f x, y, ,L, n dx dx
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微分方程:
联系着自变量,未知函数及其导数的关系式. 为了定量地研究一些实际问题的变化规律,往往是 要对所研究的问题进行适当的简化和假设,建立数学 模型,当问题涉及变量的变化率时,该模型就是微分方 程,下面通过几个典型的例子来说明建立微分方程模 型的过程.
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二、微分方程的阶 定义： 定义 ： 微分方程中出现的未知函数的最高阶导数或 微分的阶数称为微分方程的阶数. 微分的阶数称为微分方程的阶数. 如:
dy (1) = 2x dx
(2) xdy − ydx = 0
是一阶微分方程；
d x dx (3) + tx + x = 0 2 dt dt
即
f ( x) = ∫ 2 xdx + C = x 2 + C.
又由条件: 曲线过(1,3), 即 于是得
f (1) = 3,
2
C = 2. 故所求的曲线方程为:
y = x + 2.
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基本概念
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一、常微分方程与偏微分方程
解: 根据题设,每个病人每天可使
λs(t )个健康者变为病人.
由于病人总人数为 Ni (t ), 所以每天共有λ Ns (t )i (t )个健康者被感染.
di 于是病人增加率为 N = λNsi , dt 又因s (t ) + i (t ) = 1, 再由初始条件得
di = λi (1 − i ) dt
2
3
是非线性微分方程. 是非线性微分方程.
2.n阶线性微分方程的一般形式
dny d n −1 y + a1 ( x) n −1 + L + an ( x) y = f ( x) n dx dx
这里a1 ( x),L an ( x), f ( x)是x的已知函数.
(2)
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四 微分方程的解
定义
如果函数y = ϕ ( x), x ∈ I , 满足条件 :
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解:
设物体在时刻
t 的温度为 u (t ). 根据导数的物理意义, 则
du . 由Newton冷却定律, 得到 温度的变化速度为 dt
du = −k (u − u a ), dt
其中 k > 0 为比例系数. 此数学关系式就是物体冷却过程的数 学模型. 注意:此式子并不是直接给出 和 t 之间的函数关系,而只是 给出了未知函数的导数与未知函数之间的关系式.如何由此式 子求得 与 t 之间的关系式, 以后再介绍.
向量形式
dx = f ( t , x (t ) ) dt
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三 线性和非线性
dy d y 1.如果方程 F(x, y, , L , n ) = 0 dx dx n dy d y 的左端为y及 , L , n 的一次有理式, dx dx 则称其为n 则称其为n阶线性方程.
dR = −kR, dt R(0) = R0
这里k > 0, 是由于R(t )随时间的增加而减少.
解之得 : R(t ) = R0 e − kt
即镭元素的存量是指数规律衰减的.
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例2 物理冷却过程的数学模型
将某物体放置于空气中, 在时刻 t = 0 时, 测得它的温度为
假设在疾病传播期内所考察地区的总人数N不变, 时间以天为计量单位, 假设条件为 : ,假设条件为
(1)在时该t人群中易感染者(健康)和已感染者 (病人)在总人数中所占比例分别为s (t )和i (t ).
(2)每个病人每天有效接触的平均人数是λ ,
λ称日接触率.
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dy (1) = 2 x; dx
2
(2) xdy − ydx = 0 ;
3
d x dx (3) + tx + x = 0; 2 dt dt
d 4x d 2x ( 4) + 5 2 + 3 x = sin t ; 4 dt dt
都是常微分方程
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∂z ∂z (5) + =z ; ∂x ∂y
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∂ 2u ∂ 2u (6) + 2 + x + y − uz = 0 . 2 ∂y ∂x
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1.常微分方程 常微分方程 如果在一个微分方程中，自变量的个数只有一个， 则这样的微分方程称为常微分方程 常微分方程. 常微分方程 如
2.偏微分方程 偏微分方程 如果在一个微分方程中,自变量的个数为两个或两 个以上,称为偏微分方程 偏微分方程. 偏微分方程 如
∂z ∂z (5) + =z ; ∂x ∂y
∂ 2u ∂ 2u (6) + 2 + x + y − uz = 0 . 2 ∂x ∂y
都是偏微分方程.
注: 本课程主要研究常微分方程. 同时把常微分方程简称 为微分方程或方程.
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2. 求平面上过点 求平面上过点(1,3)且每点切线斜率为横坐标 倍 且每点切线斜率为横坐标2倍 且每点切线斜率为横坐标
的曲线所满足的微分方程. 的曲线所满足的微分方程
解: 设所求的曲线方程为
y = f (x).
由导数的几何意义, 应有
f ' ( x ) = 2 x,
常微分方程
常微分方程基本知识 线性微分方程组理论 高阶线性微分方程 微分方程定性方法初步
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常微分方程
常微分方程是研究自然科学和社会科学中的事物、物体和 现象运动、演化和变化规律的最为基本的数学理论和方法。物 理、化学、生物、工程、航空航天、医学、经济和金融领域中 的许多原理和规律都可以描述成适当的常微分方程，如牛顿运 动定律、万有引力定律、机械能守恒定律，能量守恒定律、人 口发展规律、生态种群竞争、疾病传染、遗传基因变异、股票 的涨伏趋势、利率的浮动、市场均衡价格的变化等，对这些规 律的描述、认识和分析就归结为对相应的常微分方程描述的数 学模型的研究。因此，常微分方程的理论和方法不仅广泛应用 于自然科学，而且越来越多的应用于社会科学的各个领域。
如 (1) dy = 2 x
n
dx
(2) xdy − ydx = 0