微分方程
微分方程
初始条件
解定解问题
dx k k + x= d t 5400 2500
x t = 0 = 0.12×54
得 k=?
0.06 ×5400 = 0.06×54 t = 30 时 x = 100 k =180ln 4 ≈ 250
m3 新鲜空气 . 因此每分钟应至少输入 250
MATLAB中微分方程的数值解 MATLAB中微分方程的数值解 s=dsolve(‘方程1’, ‘方程2’,…,’初始条件1’,’ 初始条件2’ …,’自变量’)(P257附录B4) 用字符串方程表示,自变量缺省值为t。 导数用D表示,2阶导数用D2表示。 S返回解析解。 dx k k 例: + x=
−∫ P( x) dx
三、微分方程应用问题
例5. 已知某车间的容积为 的新鲜空气 输入 , 问每分钟应输入多少才能在 30 分钟后使车间空 的含量不超过 0.06 % ? ( 假定输入的新鲜空气 与原有空气很快混合均匀后, 以相同的流量排出 ) 5400 , 提示: 提示 设每分钟应输入 t 时刻车间空气中含 的改变量为 则在 [ t , t + ∆t ]内车间内 0.04 x ∆t − k ⋅ ∆t ∆x = k ⋅ 两端除以 ∆t , 100 5400 并令 ∆t → 0 得微分方程
一阶线性方程
dy + P( x) y = Q( x) dx
∫ 令µ = e
令µ = y e
P ( x ) dx
全微分方程
M ( x, y )dx + N ( x, y )dy = 0 ∂M ∂N = ∂y ∂x
x = X + h 令 y = Y + k ∆=0 ∆≠0
∆= a b
− n ( n −1) P ( x ) dx
微分方程
du u( u − 2)( u − 1) x = dx −1 + u − u 2
1 1 3 1 dx 1 ⇒ − ⋅ − ⋅ du = x u−1 2 u 2 u− 2 3 1 ⇒ ln u − 1 − ln u − 2 − ln u = ln x + ln C 2 2
2
故方程的特解为:
例3 若函数 y=y(x) 连续,且满足
x ∫ y ( t )dt =
x 0
( x + 1) ∫0 ty ( t )dt ,
5/88
求函数 y(x).
x ∫ y ( t )dt =
x 0
( x + 1) ∫0 ty ( t )dt ,
x
解 两端对x求导可得
+ xy ∫ ty ( t )dt + ( x + 1) xy ∫ y ( t )dt=
C y = 3 e , ( C为任意常数 ) . x
−
1 x
6/88
例4 求方程 f ( xy ) ydx + g ( xy ) xdy = 0 通解 .
解
令u = xy ,
则= du xdy + ydx ,
du − ydx 与定积分换 f ( u) ydx + g ( u) x ⋅ = 0, 元的区别? x u [ f ( u) − g ( u)] dx + g ( u)du = 0, x dx g ( u) + du = 0, x u[ f ( u) − g ( u)] g ( u) 通解为 ln | x | + ∫ du = C . u[ f ( u) − g ( u)]
x x 0 0
微分方程
例2 设某次实验的测量数据如表
x 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
y
1
2.3 2.1 2
4.6 4.7 4.3 8.1
9.2
9.8
10.3
请给出实验数据的曲线拟合
0.267x3 1.55x2 2.583x 1 0 x3 3 y 0.3333x 5.25x2 27.0167x 40.8 3 x6 4 3 2 - 0.075x 2 . 6167x 34 . 175x 198.6333x- 425.2 6 x 10
F ( x , ( x ), ( x ), ( n ) ( x )) 0
那么,函数 ( x ) 就叫做微分方程在区间 I 上的解 通解 — 解中所含独立的任意常数的个数与方程 的阶数相同. 特解 — 不含任意常数的解,
引例1
dy dx
2x
x 1
d2y
y2引例2来自dx2 0.4
四、MATLAB介绍 1、 求解方程 2、曲线拟合
例1 设某次实验的测量数据如表 x 1 2 3 4 4 6 7 8 9 y 0 0.33 0.50 0.62 0.75 0.8 0.82 0.93 1.00 问题
(1)绘制测量数据的散点 图,并观察散点的走向, 预测一下应用什么样的数 学模型描述之;
y2 sin x 且 tan x 常数,它们是线性无关的. y1 cos x
故方程的通解为
二阶常系数齐次线性微分方程求通解的一般步骤:
(1) 写出相应的特征方程 2 a b 0;
(2) 求出特征方程的两个根 1 与 2;
(3) 根据特征方程的两个根的不同情况,按照下列 规则写出微分方程的通解
微分方程
微分方程一 基本概念定义 含有未知函数的导数或微分的方程称为微分方程,未知函数为一元函数的微分方程称为常微分方程.微分方程中出现的未知函数的导数的最高阶数称为这个方程的阶.定义若 微分方程的解中所含(独立的)任意常数的个数与微分方程的阶数相等,则称这个解为方程的通解.在通解中给任意常数以确定的值得到的解,称为微分方程的特解.一阶微分方程一阶微分方程的一般形式:0),,(='y y x F 或),(y x f y ='.1.可分离变量的微分方程如果一阶微分方程能化为dx x M dy y N )()(=的形式,那么原方程称为可分离变量的微分方程.对上式两边积分,得⎰⎰=dx x M dy y N )()(,便可得到所求的通解.如要求其特解,可由初始条件00y yx x ==代入通解中定出任意常数C 的值,可得特解.例 求微分方程0)1()1(22=+-+dy x xy dx y 满足初始条件2)1(=y 的特解. 解 分离变量,得dx x x dy yy )1(1122+=+.即dx x x x dy y y⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=+22111.两边积分,得C x x y ln 21)1ln(21ln )1ln(2122++-=+. 即)ln(1)(1ln(222Cx y x =++).通解为222)1)(1(Cx y x =++.把初始条件2)1(=y 代入通解,可得10=C .所求特解为22210)1)(1(x y x =++.2.齐次方程可化为形如⎪⎭⎫⎝⎛=x y f dx dy的微分方程,称为一阶齐次微分方程,简称为齐次方程. 齐次方程中,作变量替换xy u =就可以化为可分离变量的方程:dx x du uu f ⎰⎰=-1)(1求出积分后,将u 还原成xy ,便得所给齐次方程的通解.例如方程0)2()(22=---dy xy x dx y xy 例 解微分方程.tan2x y x y y =-' 解 原方程可写成:.tan 2xy x y y +='这是齐次方程.令xy u =,f (u ) = 2tan u + u .代入原方程得.tan 2⎰⎰=xdx udu 积分得.ln ln ln 2sin ln 2cx c x u =+=得.sin 2cx u =将xy u =代入上式,便得原方程的通解为.sin 2cx xy =在微分方程中,一般习惯上把x 看作自变量,但有时若将y 看作自变量,求解时会很简便,如下例.例 求微分方程023(22=--xydx dy x y )满足初始条件10==x y的特解.解 原方程可化为yx y x xyx y dydx ⋅⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-=23123222. 令yx u =,即uy x =,则dydu yu dydx +=,代入上式,得uu dydu y2512-=.分离变量,并两边积分,得dy ydu uu ⎰⎰=-15122.即C y u ln 51ln )51ln(512-=--.将yx u =代入,得到原方程的通解为C y x y =-3255将初始条件10==x y代入通解中,得到1=C .所求特解为15325=-y x y .与齐次方程类似,某些微分方程通过变量替换可化为可分离变量的方程,然后分离变量,经积分可求得通解.变量替换的方法是解微分方程最常用的方法.在后面,我们还会用到这种方法,这里再举一例.例6 求解微分方程11+-=yx dxdy .解 令u y x =-,则u x y -=,dxdu dxdy -=1,于是 111+=-udxdu . udxdu 1-=.分离变量,并两边积分,得C x u +-=22.以y x u -=代回,得C x y x +-=-2)(2.3.一阶线性微分方程 可化为形如)()(x Q y x P dxdy =+的微分方程,称为一阶线性微分方程,其中)(),(x Q x P 均为x 的已知函数.当0)(≡x Q 时,称方程是齐次的.0)(=+y x P dxdy 称为对应于方程)()(x Q y x P dxdy =+的线性齐次微分方程.分离变量后,得dx x P ydy )(-=,两边积分得C dx x P y ln )(ln +-=⎰.于是,方程的通解为⎰=-dxx P Ce y )(.下面求方程)()(x Q y x P dxdy =+的通解的方法:1.先求对应的齐次线性微分方程()0dy P x y dx+=的通解⎰=-dxx P Cey )(;2.常数变易:令⎰=-dx x P e x C y )()(是)()(x Q y x P dxdy=+的解,将该解带入方程)()(x Q y x P dxdy =+,有)()()(x Q e x C dx x P =⎰'-,即 ⎰='dxx P e x Q x C )()()(. 两边积分,得C dx e x Q x C dxx P +⎰=⎰)()()(. 得通解⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎰⎰=⎰-C dx e x Q e y dx x P dx x P )()()(.上式右端第一项是对应的线性齐次方程的通解,第二项是线性非齐次方程的一个特解. 线性非齐次方程的通解等于对应的齐次方程的通解与线性非齐次方程的一个特解之和.例 求解微分方程x x x y y sin 2cot =-'.解 对应齐次方程为.0cot =-'x y y 分离变量,得.cot 1xdx dy y=两边积分,得.sin sin ln cot x C CeCe y xxdx⋅==⎰=用常数变易法,把C 换成新的未知函数)(x C ,即令.sin )(x x C y = 代入原非齐次方程,得C x x C +=2)(.故所求通解为.sin )(2x C x y +=例 求微分方程 02)6(2=+'-y y x y 满足初始条件12==x y的特解.解 这个方程不是未知函数y 与y '的线性方程,但是可以将它变形为yy x dydx 262-=,即23y x ydydx -=-,将x 视为y 的函数,通解公式得⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎰=⎰-C dy e y ex dy y dyy332⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=C y y 213. 以条件2=x 时,1=y 代入,得23=C . 因此,所求特解为2232yy x +=.形如ny x Q y x P dxdy )()(=+ ( 1,0≠n ) 的方程,称为伯努利方程.这类方程可经过变换化为线性方程,方程两边同除以n y 得)()(1x Q yx P dxdy y nn=+--.再令nyz -=1,则上式化为)()(11x Q z x P dxdzn =+-.即)()1()()1(x Q n z x P n dxdz -=-+.1.可分离变量的方程:x x f y y g d )(d )(=,两边积分得通解.2.一阶齐次方程:)(xyy ϕ=',令u xy =,得⎰⎰=-xx uu ud )(d ϕ.注 形如)(c by ax f y ++='的方程可令u c by ax =++转化为可分离变量的方程.3.一阶线性方程:)()(x Q y x P y =+'的通解为]d e )([d )(d )(C x x Q e y x x P x x P +⎰⎰=⎰-.4.伯努利方程:n y x Q y x P y )()(=+',令u y n=-1可转化为一阶线性方程.全微分方程全微分方程0pdx Qdy += 满足p Q yx∂∂=∂∂ ,则(,)u x y ∃使(,)du x y pdx Qdy =+此时,00(,)(,)(,)xyxyu x y p x y dx Q x y dy =+⎰⎰,方程解为:(,)u x y c =例 解微分方程()cos cos sin sin 0x y x y y x y '+-+= 解:()()cos cos sin sin 0x y x dy y x y dx ++-+=()sin sin ,()cos cos p x y x y Q x x y x =-+=+sin cos ,cos sin p Q x y y x yx∂∂=-+=-∂∂,所以p Q yx ∂∂=∂∂所以()00(,)sin sin 1xyu x y y x y dx dy =-++⎰⎰(,)cos sin cos sin u x y y x y x y y y x x y =-++=+,方程的解为cos sin x x y C +=.也可以直接求解:原方程为()()cos cos sin sin 0x y x dy y x y dx ++-+= 即()()cos sin cos sin 0x ydy ydx xdy y xdx ++-=()()sin sin cos cos 0xd y ydx xdy yd x +++=即sin cos 0dx y dy x +=,即()sin cos 0d x y y x +=,所以sin cos x y y x C +=. 例 解微分方程tan cos y y x x '+= 方法一:常数变易 tan 0y y x '+=,sin cos dy x dx y x=-⎰⎰ln ln cos ln y x c =+ cos y c x =,令()cos y c x x =是原方程的解,tan ()cos ()(sin )()sin cos y y x c x x c x x c x x x ''+=+-+= ()1c x '= 得()c x x c =+, 所以()cos y x c x =+.方法二(乘积分因子,将方程变为全微分方程):由于sin cos cos x dy ydx xdx x+=,所以2cos cos cos xdy yd x xdx -= 2cos cos cos xdy yd xdx x -=,cos yddx x =.所以cos yx c x=+,()cos y x c x =+. 例 解微分方程2()20x y dx xydy -+=解:由2()20x y dx xydy -+=,有220xdx y dx xdy -+=所以取积分因子21x,有2220dx xdy y dxxx-+=即2ln 0yd x dx+=,所以原方程的解为2ln yx C x+=一阶线性微分方程)()(x Q y x P dxdy =+的积分因子为()P x dxe ⎰例 ()()y p x y Q x '+=解:方程变形为()()dy p x ydx Q x dx += 方程两端乘积分因子()p x dxe ⎰有()()()()()p x dxp x dxp x dxe dy ye p x dx Q x e dx ⎰⎰⎰+=即()()()p x dxp x dxdye Q x e dx ⎰⎰=所以()()()p x dxp x dx ye Q x e dx C ⎰⎰=+⎰所以()()()p x dx p x dx y e Q x e dx C -⎛⎫⎰⎰=+ ⎪⎝⎭⎰ 我们看到,这正是一阶线性微分方程的公式解. 例 x x x y y sin 2cot =-' 解:我们选取cot ln sin 1sin xdxxe ex--⎰==做积分因子,方程变为21cos 2sin sin x dy ydx xdx xx-=,即2sin sin 2sin xdy yd xxdx x -=,所以2sin y ddx x=,即2sin y x C x=+,()2sin y x C x =+.其实我们通过观察就可以将方程凑成全微分方程cos 2sin sin x dy ydx x xdx x-=,则2sin cos 2sin xdy y xdx x xdx -=2sin sin 2sin xdy yd xxdx x -=,即2sin yddx x =所以2sin y x C x=+,即()2sin y x C x =+可降阶的高阶微分方程1.)()(x f y n = 型的微分方程(方程的右端仅含自变量x ) 方程两端积分便使它降为一个1-n 阶的微分方程()11d )(C x x f y n +=⎰-.再积分可得()[]212d d )(C x C x x f yn ++=⎰⎰-.继续下去,便得方程的含有n 个任意常数的通解.2.()y x f y '='',型的微分方程(方程中不显含未知函数y ) 设p y =',则p xp y '==''d d ,方程变成),(p x f p ='.这是关于x 和p 的一阶微分方程,设其通解为()1,C x p ψ=. 由于xy p d d =,因此又得到一个一阶微分方程()1,d d C x xy ψ=.对它积分即得方程的通解()21d ,C x C x y +=⎰ψ.例 求方程()1212='+''+y x y x 的通解.解 所给方程不显含变量y ,令y p '=,则p y '='',代入原方程得()1212=+'+xpp x ,是一阶线性微分方程,化为221112xp xx p +=++',通解为:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎰++⎰=⎰++-x xC p xx xx x xd e11ed 1221d 1222211x C x ++=. 将y p '=代入上式,并做积分得方程的通解()212arctan 1ln 21C x Cxy +++=.3.()y y f y '='',型的微分方程(中不显含自变量x ) 令y p '=,两边对x 求导得y p p x y y p xp y d d d d d d d d =⋅=='',则方程变成),(d d p y f ypp =,得关于变量p 和y 的一阶微分方程,设它的通解为()1,C y p y ϕ=='. 分离变量并积分,即可得方程的通解()21d ,y x C y C =+ϕ⎰.例 求微分方程()02='-''y y y 的通解.解 设p y =',则yp py d d ='',代入原方程得0d d 2=-pyp yp.如果0≠p ,那么方程中约去p 并分离变量得yy pp d d =.得y C p 1=,即y C y 1='.再分离变量并积分,得21ln ln C x C y +=,即x C C y 1e 2=.0=p ,C y =,已包含在上述解中(令01=C 即得),所以原方程的通解为xC C y 1e 2=.常系数线性微分方程线性方程组解的理论:n 阶常系数线性微分方程()(1)11()()()()n n n n yf x yf x y f x y Q x --'++++= ⑴对应的齐次线性微分方程:()(1)11()()()0n n n n yf x yf x y f x y --'++++= ⑵①:⑴的解与⑵的解之和是⑴的解;②:⑴的两个解之差是⑵的解;③:⑵的解的线性组合是⑵的解;④:12()()()Q x q x q x =+,则()1()()n n y f x y q x ++= 与()2()()n n y f x y q x ++= 的解之和是()12()()()n n yf x y q x q x ++=+ 的解;⑤:⑴的通解可写成⑵的通解与⑴的特解之和;⑥:1(),()n h x h x 是⑵的线性无关解,则11()()n n c h x c h x ++ 是⑵的通解. 例:设线性无关函数123,,y y y 都是二阶非齐次线性方程()()()y p x y q x y f x '''++=的解,12,c c 是任意常数,则该非齐次方程的通解为A 11223c y c y y ++B 1122123()c y c y c c y +-+C 1122123(1)c y c y c c y +---D 1122123(1)c y c y c c y ++--解:选择D二阶常系数齐次线性微分方程1.二阶常系数齐次线性微分方程设)(1x y y =与)(2x y y =为二阶常系数齐次线性微分方程0=+'+''qy y p y 的相互独立的两个特解(线性无关)(即)()(12x y x y 不恒等于常数),则2211y C y C y +=为方程(1)的通解,这里1C 与2C 为任意常数.求微分方程0=+'+''qy y p y 通解中各项对照表:例 求微分方程043=-'+''y y y 的通解. 解 所给微分方程的特征方程为0432=-+r r .特征根为121, 4.r r ==- 于是,所求微分方程的通解为x x C C y 421e e -+=.例 求微分方程044=+'-''y y y 的满足初始条件1|,1|00='===x x y y 的特解. 解 所给微分方程的特征方程为0442=+-r r . 特征根221==r r .故所求微分方程的通解为)(e 212x C C y x+=.求导得xxC x C C y 22212e)(e2++='.将初始条件1|0==x y 及1|0='=x y 代入以上两式求得.1,121-==C C 故所求特解为)1(e2x y x-=.例 设函数)(x f 可导,且满足⎰⎰-++=xx t t f x t t tf x x f 0d )(d )(21)(.试求函数)(x f .解 方程两边对x 求导得:⎰-='x t t f x f 0d )(2)(.由此可得(0)2f '=.上式两边再对x 求导得:)()(x f x f -=''. 所以得到初值问题//0/012x x y y y y ==⎧=-⎪=⎨⎪=⎩,这是二阶常系数齐次线性方程,其特征方程为,012=+r特征根.,21i r i r =-=所求微分方程的通解为12()cos sin .f x C x C x =+ 由(0)1f =,(0)2f '=得.2,121==C C 所以.sin 2cos )(x x x f +=常系数齐次线性微分方程()(1)110n n n n y p y p y p y --'++++= 通解中各项对照表:例 求四阶微分方程08)4(='+y y 的通解.解 所给微分方程的特征方程为084=+r r ,即,0)42)(2(2=+-+r r r r 特征根为.31,2,04,321i r r r ±=-=方程的通解).3sin3cos(e e43221x C x C C C y xx+++=-例 下列方程哪个以123cos 2sin 2xy C e C x C x =++(123,,C C C 为任意数)为通解 A .//////440y y y y +--=;B .//////440y y y y +++=;C .//////440y y y y --+=;D .//////440y y y y -+-=.2.二阶常系数非齐次线性微分方程()y y x **=是二阶常系数非齐次线性微分方程)(x f qy y p y =+'+''的一个特解,Y 为对应于方程(3)的齐次线性微分方程的通解,则y Y y *=+为)(x f qy y p y =+'+''的通解.由此结论可知,二阶常系数非齐次线性微分方程的通解,可按下面三个步骤来求: ①求其对应的齐次线性微分方程的通解Y ; ②求非齐次线性微分方程的一个特解y *;③原方程的通解为y Y y *=+. 只讨论)(x f 为以下两种形式的情形.I. )(x f qy y p y =+'+'',x m x P x f λe )()(=型)(x f qy y p y =+'+''的具有形如:()ekxm y x Q x *λ=的特解;其中)(x Q m 是与)(x P m 同次(m 次)的多项式,而k 按λ不是特征方程的根、是特征方程的单根或是特征方程的重根依次取为0、1或2.例 求方程2106652+-=+'-''x x y y y 的通解. 解 先求对应齐次方程:065=+'-''y y y 的通解, 其特征方程是0652=+-r r .特征根,3,221==r r 对应齐次方程的通解为x x C C Y 3221e e +=.所给方程是二阶常系数非齐次线性微分方程,且右端函数形如xm x P λe)(,其中,0=λ.2106)(2+-=x x x P m因为0=λ不是特征根,因而所求方程有形如2y Ax Bx C *=++的特解. 由于()2,y Ax B *'=+()2,y A *''= 将它们代入原方程中得:.2106652)106(622+-=+-+-+x x C B A x A B Ax比较上式两端x 的同次幂的系数可得.0,0,1===C B A 故所求方程的一个特解为2.y x *=从而所求方程的通解为.ee23221x C C y xx++=例 求方程xx y y y 2e 24'4=+-''的通解.解 右端函数形如xm x P λe)(,其中,2=λ.2)(x x P m =方程对应的齐次方程044=+'-''y y y 的通解为:).(e 212x C C Y x+=由于2=r 是二重特征根,设方程有形如22()e xy x Ax B *=+的特解.代入方程0,31==B A .于是得所求方程的一个特解为:321e .3xy x *=最后得所求方程的通解为).31(e3212x x C C y x++=2010年考试题 求方程3'22e xy y y x ''-+=的通解(10分)II .]sin )(cos )([e )(x x P x x P x f n l x ωωλ+=型特解可设为e [()cos ()sin ],k x m m y x Q x x R x x *λ=ω+ω其中),(x Q m )(x R m 是m 次多项式,},,max{n l m = 而k 按ωλi ±不是特征方程的根或是特征方程的单根依次取0或1.例 求方程)sin 7(cos e 2x x y y y x -=-'+''的通解.解 方程对应的齐次方程02=-'+''y y y 的特征方程为022=-+r r , 特征根2,121-==r r ,齐次方程的通解为x x C C Y 221e e -+=.因为i i ±=±1ωλ不是特征根,方程具有形如(cos sin )x y e A x B x *=+的特解, 求得,1,2==B A 故e (2cos sin )x y x x *=+, 所求通解为.e e )sin cos 2(221x x x C C x x e y -+++=练习题解下列微分方程齐次方程1.222x e dy xy x y dy x y dx dx y x y e =⎧=+⎪⇒=+⎨⎪=⎩解:令y u x= 则y ux = dy udx xdu =+ ,dy du u xdxdx=+由dy x y dxyx=+,有1xdu dxu=,21ln 2uc x +=所以22ux ce = ,即222yxx ce= ,代入初始条件得1c e -=,所以2212yxx e-=2.2()dy x y dx=+,令u x y =+ (())dy x y dxϕ=+,21du u dx-=21du u dx-=21du u dx-=21du u dx=+,21du dx u =+ arctan()x c x y +=+3.解微分方程222222x yxx y yy ex x++'=+-解:令22x y u x+=,22xdu udx xdx ydy +=+222udy du yx u x e u x dxdx=+-=+-所以udu x e dx=,22ln x y xex C +--=+4:解微分方程15dy y x dxy x -+=++,令y Y a x x X b =+⎧=⎨=+⎩1()()15()()5y x Y a x b y x Y a x b -+=+-+-⎧⎨++=++++⎩ ∴1050a b a b --=⎧⎨++=⎩∴2,3a b =-=- ∴11YdY Y xx Y dxy xx--==++ 令Y u x = 12111udx xdu u du u x dx u dx u +-=⇒+=-++ ∴211du u xdxu +=-+∴2211ln(1)arctan ln 12u dx du u u x c u x+=-⇒++=-++2313arctanln 1()ln 2222y y x c x x ++⎡⎤++=-++⎢⎥++⎣⎦5.dy dxx=解:0x <时,dy y dxx=+,令yu x=,则y xu =,所以,dy udx xdu =+所以原方程变为:dy du u xu dxdx=+=+即dx x=,两边积分有1ln(ln ln u x c +=+所以1C x u =+0x <,所以y C x x=+()1C C =-所以2Cx y =-当0x >时dy ydxx =-dxx =-所以1ln(ln ln u x C +=-+即yx C x ⎛+⋅= ⎝,y C +=6:设L 是一条平面曲线,其上任一点(,)(0)p x y x >到坐标原点的距离恒等于该点处的切线在y 轴上的截距,且过1(,0)2点⑴求L 的方程⑵求L 位于第一象限部分的一条切线,使该点切线与L 以及两坐标轴所围成图形的面积最小解:⑴(,)p x y 处的切线()Y y y X x '-=-,切线与Y 轴的交点0X Y y y x '=⇒=-1()02y y x y ⎧'-=⎪⎨=⎪⎩1()02dy dx xy ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩ 得214y x =-⑵(,)p x y 处的切线()(0,0)Y y y X x x y '=+->>且214y x =-,2y x '=-∴222Y y xX x =-+为切线,切线与X 轴的交点222y x X+=22Y y x =+∴122220121(2)()224y x S y x x dx x+=⋅+--⎰又 122222011111,()()42244y x s x x dx x =-=⋅+--⎰∴222211111()()244248s x x x x y xx '=-+++⋅⇒==一阶线性微分方程 1:求过1(,0)2且满足关系式arcsin 1y x '+=的曲线方程解:arcsin 1y x '+= 则arcsin arcsin xdy yd x dx +=arcsin y x c x =+,又120x y==,∴12c =-∴12arcsin x y x-=2. 求连续函数()f x 使它满足20()2()xf x f t dt x +=⎰解:()2()2(0)0f x f x x f '+=⎧⎨=⎩注意初始条件22(2)2xxedy ydx x e dx +=⋅练习:已知连续函数满足条件320()()3x xt f x f dt e =+⎰,求()f x 3.设有微分方程2()y y x ϕ'-=,其中2(1)()0(1)x x x ϕ<⎧=⎨>⎩试求在(,)-∞+∞内连续函数()y y x =,使之在(,1)-∞和 (1,)+∞内都满足所给方程 且(0)0y =解:1x <,22(0)0y y y '-=⎧⎨=⎩ 21x y ce =- 1c = ,所以21x y e =-1x >时,20y y '-= 2x y ce =由于()y x 连续,且21lim 11xz x ee -→-=-,21lim ()1x y x e +→=-,所以221lim 1xx cee +→=-,即有21c e -=-,所以2221(1)()(1)(1)x xe x y x e e x -⎧-≤⎪=⎨->⎪⎩17.设函数()f x 在(0,)+∞内连续,5(1)2f =,且对所有,(0,)x t ∈+∞,满足条件111()()()xtx tf u du t f u du x f u du =+⎰⎰⎰求()f x解:两边对x 求导1()()()ttf xt tf x f u du =+⎰又5(1)2f =,上式取1x =有15()()2ttf t t f u du =+⎰再求导5()()()2f t tf t f t '+=+,所以5()25(1)2f t tf ⎧'=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩,解得5()(ln 1)2f x x =+练习:1.()f x 连续,0()sin ()()xf x x x t f t dt =--⎰,求()f x dx ⎰2.()f x 连续,20()ln 22xt f x f dt ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭⎰,求()f x3.()f x 连续,1()sin ()f x x x f xt dt +=⎰,求()f x4.()f x 连续,20()2()xf x f t dt x +=⎰,求()f x18. ()f x 连续,21(2)arctan 2xtf x t dt x -=⎰,(1)1f =,求21()f x dx ⎰解:令2x t u -=,则221(2)(2)()arctan 2x x xtf x t dt x u f u du x -=--=⎰⎰即22212()()arctan 2x xxxx f u du uf u du x -=⎰⎰所以[]24122()22(2)()2(2)2()21x xxf u du x f x f x xf x xf x x+⋅--⋅+=+⎰24122()()21x xxf u du xf x x -=+⎰令1x =,有2112()(1)2f u du f -=⎰,所以213()4f u du =⎰练习:()f x 连续,0()1cos ,xtf x t dt x -=-⎰,求20()f x dxπ⎰19.设()()()F x f x g x =其中(),()f x g x 在(,)-∞+∞内满足()(),()()f x g x g x f x ''==且(0)0,()()2xf f xg x e =+=⑴求()F x 所满足的一阶微分方程 ⑵求()F x 的表达式解:(1)22()()()()()()()F x f x g x f x g x g x f x '''=+=+[]22()()2()()42()xf xg x f x g x eF x =+-=-⑵22224()()(0)0xx xy y e y x F x e e y -'⎧+=⇒==-⎨=⎩ 20.()F x 是()f x 的一个原函数,()G x 是1()f x 的一个原函数()()1,(0)0F x G x f ⋅=-=求()F x解:0F G G F ''+=,所以110()F F Ff x '-⋅+⋅= ,22()()f x F x = ∴()()F x F x '=±练习:设()F x 为()f x 的原函数,且当0x ≥时, 2()()2(1)xxef x F x x =+,且(0)1,()0F F x =>,求()f x21 设(,)f u v 具有连续偏导数,且满足(,)(,)u v f u v f u v uv ''+= 求2()(,)x y x e f x x -=所满足的一阶微分方程,并求其通解 解:[]2222()2(,)(,)(,)2xxxu v y x ef x x ef x x f x x y x e ---'''=-++=-+222222,2xx xy y x ee dy ye dx x dx -'+=+= 323xxdey d=∴32()3xxy c e-=+练习:设函数()()0,,f u +∞在内具有二阶导数且z f=满足等式22220z z xy∂∂+=∂∂(Ⅰ)验证()()0f u f u u'''+=.(Ⅱ)若()()()10,11,f f f u '==求函数的表达式22.设x y e =是微分方程()xy p x y x '+=的一个解,求此方程满足ln 20x y==的特解解:()x x xe p x e x +=,所以()x p x xe x =- ,代入原方程即可求出解. 应用(几何)例1,设⑴函数(),(0)y f x x =≤≤+∞满足(0)0,0()1xf f x e =≤≤-⑵平行于Y 轴的动直线NW 与()y f x =和1xy e =-分别相交于12,p p⑶曲线()y f x =,直线NM 与X 轴所围封闭图形的面积S 恒等于线段12p p 的长度 求()y f x =的表达式解0()(1)()(0)0x x f x dx e f x f ⎧=--⎪⎨⎪=⎩⎰ 练习:设()y f x =是第一象限内连接(0,1),(1,0)A B的一段连续曲线,(,)M x y 为该曲线上任一点,点C 为M 在X 轴上的投影,O 为原点,若梯形O C M A 的面积与曲边三角形C B M 的面积之和为3163x+,求()f x 表达式.例2:在XOY 坐标平面中,连续曲线L 过点(1,0)M任意一点(,),(0)p x y x ≠处切线斜率与直线o p 的斜率之差等于ax ,常数0a > ⑴求L 的方程;⑵当L 与直线y ax =围成面积为83时,求a解:10x dy yax dx x y=⎧-=⎪⎨⎪=⎩ 2xdy ydx ax dx -=,2xdy ydxadx x-=,y ddax x=y ax c x=+2,0y ax cx a c =++= c a =-2y ax axy ax⎧=-⎨=⎩交点(0,0),(2,2)a 2208()3ax ax ax dx ⎡⎤--=⎣⎦⎰练习:.对任意0x >,()y f x =在(),()x f x 处切线在y 轴上的截距等于1()xf t dt x⎰,求()f x .。
微分方程
如方程
而 在具体问题中常数C的值总是根据 的值总是根据“ 在具体问题中常数 的值总是根据“预先给定的条 而确定的.这个“预先给定的条件” 件”而确定的.这个“预先给定的条件”叫初始条 件 定义6 定义 用来确定通解中的任意常数的附加条件一般 称为初始条件. 称为初始条件.当通解中的各任意常数都取 得特定值时所得到的解,称为方程的特解. 得特定值时所得到的解,称为方程的特解.
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y′ + p( x) y = 0
可分离变量的微分方程:
先求一阶齐次线性微分方程 y′ + P(x) y = 0的通解. 的通解 该方程是一个可分离变量的方程,分离变量, 该方程是一个可分离变量的方程,分离变量,有 dy = −P(x)dx y 两端积分, 两端积分,得 ln y = −∫ P(x)dx + lnC, 故一阶齐次线性微分方程 y′ + P(x) y = 0的通解为 −∫ P( x)dx y = Ce 一阶非齐次线性方程的解的结构) 定理 (一阶非齐次线性方程的解的结构) 一阶非齐 次线性方程的通解等于对应的齐次线性方程的通解与一 阶非齐次线性方程的一个特解之和. 阶非齐次线性方程的一个特解之和
y = b0 + b1 x + b2 x
*
2
y* = b2 x2 一定设成一个不缺项 , (注意不要设成
的二次多项式) 的二次多项式)
( y*)′ = b1 + 2b2 + b2 x , ( y*)′′ = 2b2
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代入原方程, 代入原方程,得
b2 x2 + (b1 − 4b2 )x + b0 + 2b2 − 2b1 = x2 b2 = 1 解 b1 − 4b2 = 0 b0 + 2b2 − 2b1 = 0
微分方程的概念
微分方程的概念
微分方程的概念
微分方程是一种数学方程,它描述包括求解的变量在一个或多个变量的函数的变化是如何受到其他变量的影响的。
微分方程的解决方案可以用来描述物理系统中的变化,并且可以用于计算系统动态的行为。
常见的微分方程可以分为两种:常微分方程和非线性微分方程。
常微分方程由一个变量的导数所组成,它通常被用来描述连续的过程,而非线性微分方程则由多个变量和它们的导数组成,它可以用来描述更加复杂的变化系统。
微分方程的解决方案可以通过求导或积分的方式来计算出来。
求导就是求解变量关于另一个变量的增量变化,而积分则是求解变量关于时间或其他变量的总体变化。
微分方程一般是由求解问题的需求而推导出的,它可以用来描述一个系统或变量的动态行为,并有助于我们理解各种复杂的物理现象。
由于微分方程可以用来模拟物理系统的变化,它也是用来设计和分析各种复杂系统的重要工具。
- 1 -。
《微分方程 》课件
需要选择合适的代换变量。
详细描述
在使用变量代换法时,需要选择合适的代换变量,使得微 分方程能够被转化为更简单的形式。这个过程需要一定的 技巧和经验。
积分因子法
总结词
通过寻找积分因子,将微分方程转化为积分方程。
详细描述
积分因子法是通过寻找积分因子,将微分方程转化为积 分方程,从而简化求解过程。这种方法适用于具有特定 形式的一阶非线性微分方程。
总结词
通过引入新的变量代换,简化微分方程的形式。
详细描述
变量代换法是通过引入新的变量代换,将微分方程转化为 更简单的形式,从而简化求解过程。这种方法适用于具有 特定形式的高阶微分方程。
总结词
适用于高阶微分方程。
详细描述
变量代换法主要适用于高阶微分方程,通过引入新的变量 代换,可以将高阶微分方程转化为更简单的形式,从而简 化求解过程。
解法
通常需要使用迭代法、级数法或摄动法等非线性 求解方法。
3
特例
当 p(x,y,y') = 0, q(x,y,y') = a(常数)时,方程 简化为 y'' + ay = f(x),其解法与二阶线性微分 方程类似。
二阶常系数线性微分方程
定义
形如 y'' + ay' + by = f(x) 的微分方程称为二阶常系数线性 微分方程。
《微分方程》PPT课件
目 录
• 微分方程简介 • 一阶微分方程 • 二阶微分方程 • 高阶微分方程 • 微分方程的解法 • 微分方程的应用实例
01
微分方程简介
微分方程的定义
总结词
微分方程是描述数学模型中变量之间 动态关系的方程,通过微分来描述函 数的变化率。
微分方程的基本概念与分类
微分方程的基本概念与分类微分方程是数学中的一个重要分支,它研究函数与其导数之间的关系。
微分方程在自然科学、工程技术等领域中有着广泛的应用,可以描述许多自然现象和物理问题。
本文将介绍微分方程的基本概念和分类,以帮助读者更好地理解和掌握微分方程的知识。
一、微分方程的基本概念微分方程是表示未知函数与其导数之间关系的方程。
在微分方程中,未知函数一般用y表示,自变量一般用x表示。
微分方程根据未知函数的阶数和表达形式可以分为多种类型,下面将介绍几种常见的微分方程。
1. 一阶微分方程一阶微分方程是指未知函数的最高阶导数为一阶的微分方程。
一阶微分方程的一般形式为dy/dx=f(x,y),其中f(x,y)是已知函数。
一阶微分方程可以进一步分为可分离变量的微分方程、线性微分方程、齐次微分方程等。
2. 二阶微分方程二阶微分方程是指未知函数的最高阶导数为二阶的微分方程。
二阶微分方程的一般形式为d²y/dx²=F(x,y,dy/dx),其中F(x,y,dy/dx)是已知函数。
二阶微分方程可以进一步分为常系数二阶线性微分方程、变系数二阶线性微分方程等。
3. 高阶微分方程高阶微分方程是指未知函数的最高阶导数为高于二阶的微分方程。
高阶微分方程的求解相对复杂,需要借助特殊函数或数值方法进行求解。
二、微分方程的分类根据微分方程的阶数、表达形式以及系数的性质,可以将微分方程进行进一步的分类。
1. 阶数分类根据微分方程中未知函数的最高阶导数的阶数,微分方程可以分为一阶微分方程、二阶微分方程、高阶微分方程等。
2. 标准形式分类根据微分方程的标准形式,微分方程可以分为常微分方程和偏微分方程。
常微分方程是只涉及一元函数的微分方程,而偏微分方程是涉及多元函数和它们的偏导数的微分方程。
3. 特殊类型分类在微分方程中,有一些特殊类型的微分方程具有特定的特征和解法。
例如分离变量的微分方程、线性微分方程、齐次微分方程、恰当微分方程等。
微分方程
2)求解:[x,y]=ode23(‘weif’, [0, 1], 1) 3) 作图形: plot(x, y, ‘r’); 4) 与精确解进行比较
hold on ezplot(‘x+exp(-x)’,[0, 1])
数学实验之 --微分方程
实验目的 应用场景 基本概念 数值解法 软件求解 范例 课堂延伸 布置实验
结束
Matlab软件计算数值解
注意1:
dx(t) dt
f1(t, x(t), y(t))
dy(t) dt
f2 (t, x(t), y(t))
1、建立M文件函数
function xdot = fun(t,z) xdot = [f1(t, z(1), z(2)); f2(t, z(1), z(2))];
函数的 初值
函数文 终值
件
ode23:2阶3级龙格-库塔算法 ode45:4阶5级龙格-库塔算法
数学实验之 --微分方程
实验目的 应用场景 基本概念 数值解法 软件求解 范例 课堂延伸 布置实验
结束
Matlab软件计算数值解
例1 y’= - y+x+1,y(0) = 1
标准形式: y’= f(x , y)
实验目的 应用场景 基本概念 数值解法 软件求解 范例 课堂延伸 布置实验
结束
微分方程的数值解法
“常微分方程初值问题数值解”的提法
而在一系列离散点 x1 x2 xn
求y(xn)的近似值yn(n=1,2,…)
y
通常取等步长h
xn x0 nh
高等数学微分公式大全
高等数学微分公式大全微分作为高等数学中的基础概念之一,是描述函数变化率的重要工具。
微分公式是微分学的核心内容,掌握了微分公式,能够帮助我们更好地理解函数的性质和变化规律。
本文将介绍高等数学中常见的微分公式,以帮助读者更好地掌握微分的基本知识。
1. 基本微分公式•常数函数的微分公式:若y=y(C为常数),则yy/yy=0。
•幂函数的微分公式:若y=y y(n为常数),则yy/yy=yy y−1。
•指数函数的微分公式:若y=y y(a>0且不等于1),则 $dy/dx = a^x\\ln{a}$。
•对数函数的微分公式:若 $y = \\log_a{x}$(a>0且不等于1),则 $dy/dx = \\frac{1}{x\\ln{a}}$。
2. 基本函数的微分公式•和差函数的微分公式:若 $y = u \\pm v$,则$dy/dx = du/dx \\pm dv/dx$。
•积函数的微分公式:若y=yy,则 $dy/dx = u \\cdot dv/dx + v \\cdot du/dx$。
•商函数的微分公式:若y=y/y,则 $dy/dx = (v \\cdot du/dx - u \\cdot dv/dx)/v^2$。
3. 高阶微分公式•高阶微分:对于函数 y=f(x),它的n阶导数记作y y y/yy y。
•高阶微分公式:–若y=y y,则y y y/yy y=y(y−1)(y−2)...(y−(y−1))y=y!–若y=y y,则y y y/yy y=y y–若 $y = \\sin{x}$,则 $d^ny/dx^n = \\sin{(x + n\\pi/2)}$–若 $y = \\cos{x}$,则 $d^ny/dx^n = \\cos{(x + n\\pi/2)}$4. 典型微分方程的通解•一阶微分方程:一阶微分方程是只含有一阶导数的方程,通常可以表示为 $\\frac{dy}{dx} = f(x, y)$。
高等数学上册第七章微分方程
n 个函数, 若存在不全为 0 的常数
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 I 上
必需全为 0 ,
在I 上都 线性无关.
DMU
第五节 二阶线性微分方程解的结构
两个函数在区间 I 上线性无关的充要条件:
(1) 当p2 4 q 0 时, ②有两个相异实根
则微分
方程有两个线性无关的特解:
因此方程的通解为 y C1 er1 x C2 er2 x
DMU
第六节 常系数齐次线性微分方程
(2) 当p2 4 q 0 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:
可化为变量分离方程的类型
• 形如 dy g的(方y )程,称为齐次方程 dx x
如何求解满足上述条件的齐此方程
令 y u, y ux x
du u x du ,
dx
dx
x du g(u) u dx
du g(u) u
dx
x
化为一个变量可分离的方程
DMU
第二节 可分离变量的微分方程 齐次方程
第一节 微分方程的概念
微分方程的预备知识
➢ 微分方程
y P(x) y Q(x)y f (x)
➢ 阶:最高阶导数的阶数 ➢ 解:使方程成为恒等式的函数
➢ 通解: y (c1, c2, , cn )
➢ 特解:满足初始条件的解 ➢ 初始条件:
y(x0 ) y0, y(x0 ) y1, , y(n1) (x0 ) yn1
微分方程的基本概念一阶微分方程
两端积分 dy (2x 1)dx,
得: y x2 x C 为所求通解.
例2 求微分方程 xdx ydy 0 的通解
解 分离变量 xdx ydy
两端积分 xdx ydy,
1 2
x2
1 2
y2
C1
所求曲线方程为 y x2 1 .
二、微分方程的定义
3/18
1、微分方程:
凡含有未知函数的导数或微分的方程叫微分方程.
方
程代微数分方方程程------未未知知的的是是一一个个数函, 求数,x求y?,
y? ?( x)
例 y 2x
y 2 y 3 y e x ,
一、可分离变量的微分方程 即f(x,y)是
可分离变量的
一般形式 y f ( x) g( y)
解法——分离变量,直接积分。
解法:1、分离变量。将变量x的函数和微分 13/18 与变量y的函数和微分分离在等式两边
2、然后积分。
例1 求解微分方程 (2x 1)dx dy 0 的通解.
(2)特解: 确定了通解中任意常数数值的解. 通解:通用的解,含有任意常数; 特解:特殊的解,不含有任意常数
7/18
例2 验证下列函数都是微分方程y-2y+y=0的解.
⑴ y=Cex; ⑵ y=xex ; ⑶ y=C1ex+C2xex .
既不为通解, 也不为特解, 称为个解
为特解
为通解
特解可以从通解中通过某个条件求出常数得到特解
将
d2 dt
x
2
和x的表达式代入原方程
,
10/18
各种 微分方程的概念及其解法
第九章微分方程第一节基本概念一.解释下列名词术语1.微分方程:含有未知函数的导数(或微分)的方程.注意:(1)微分方程的一般形式:,在这个方程中是自变量,是的未知函数,是对的一阶、二阶、n阶导数;(2)方程中未知函数及自变量的记号可以不出现,如:;但未知函数的导数则必须出现.2.微分方程的阶:微分方程中所含的未知函数的最高阶导数的阶数.如:是一阶是二阶是n阶3.微分方程的解:代入微分方程能使方程成为恒等式的函数.例如:是的解.4.微分方程的通解:n阶微分方程的含有n个独立的任意常数的解.例如:是的通解;但是的解,而非通解.注意:这里要说明一下“两个常数独立”的含义----即对于任意给定的不同的的取值,则应得到不同的解,则称两个常数是互相独立的.之所以不是的通解,就是因为不是互相独立的.比如:取或者都可得到解.5.微分方程的初始条件:用来确定通解中的任意常数的一种定解的条件.一阶微分方程的初始条件通常为二阶微分方程的初始条件通常为例如:已知是的通解,可由初始条件通常为。
初始条件的个数与微分方程的阶数相同。
6.微分方程的特解:通解中所含的所有任意常数都确定后的解。
比如:是的满足初始条件的特解。
7.积分曲线:微分方程的解的图形(特解是一条积分曲线;通解是一组积分曲线)二。
用微分方程求解实际问题中的未知函数的步骤:1.建立微分方程和初始条件(难点);------这通常使一部分同学感到为难,因为它除了需要数学知识之外,还往往要用到力学、物理学、化学、电学、工程技术等方面的知识,甚至还要用到语文的知识。
2.求通解;3.求特解。
我们这一章的重点是:给定一个微分方程,如何求其通解或特解.第二节一阶微分方程一.可分离变量的微分方程求解微分方程有一个特点:就是“对号入座”,什么样的微分方程,就用什么方法去解决,这几乎成了一个固定的格式.因此,判定所给的方程是什么类型就是首要问题。
这是本章的特点.今天,就给大家介绍一种最简单的一阶微分方程:可分离变量的微分方程.1.引例求解解:因为,所以是是的一个原函数。
微分方程
u( x ) P ( x )e
P ( x ) dx
P ( x )u( x )e
P ( x ) dx
Q( x )
29
u( x )e
P ( x ) dx
P ( x ) dx Q( x ) u( x ) Q( x )e
P ( x ) dx 积分得 u( x ) Q( x )e dx C ,
(1 e u ) e u x C
所求通解: ln(1 e
x y
) y C ( C 为任意常数 )
11
例 3 衰变问题:衰变速度与未衰变原子含量 M 成 正比,已知 M
t 0
M0 , 求 衰 变 过 程 中 铀 含 量
dx y x 0 3.
4
微分方程的解的图形是一条曲线,叫微分 方程的积分曲线。 d2x 2 例 函数 x cos kt , x sin kt 是微分方程 2 k t 0 dt 的解,通解是 x C1 cos kt C2 sin kt .
5
第12章 微分方程
2
(1 y )d x y( x 1)d y 0
可分离变量的微分方程解法
dy 形如 f ( x ) g( y ) dx dy f ( x )dx ( g( y ) 0) 解法 g( y )
分离变量
dy f ( x )dx g( y )
两端积分 求得微分方程的解.
y e e
C1
P ( x ) dx
Ce
P ( x ) dx
.
27
2. 线性非齐次方程
dy P ( x ) y Q( x ). dx
第一节 微分方程的基本概念
含有未知函数导数 (或微分) 的方程。 1、微分方程:
常微分方程
偏微分方程
例如: (1) y= kx, k 为常数; (2) ( y - 2xy) dx + x2 dy = 0; 1 2 1 y ; (3) mv(t) = mg - kv(t); (4) y a d 2 g (5) 2 sin 0 ( g , l 为常数). dt l 2、微分方程的阶—— 微分方程中出现的未知函数最高 阶导数的阶数。
x 2
则
1 1 x P ( x ) , Q( x ) e , 2 2
则
1 x P ( x )dx dx , 2 2
P ( x )dx x 2
e
x 2
P ( x )dx
x 2
e ,
x 2
Q( x)e
1 x dx e e dx e , 2
自由项
当 f (x) 0 时,称为二阶线性非齐次微分方程, 当 f (x)=0 时,称为二阶线性齐次微分方程, 方程中 p(x)、 q(x) 和 f (x) 都是自变量的已知连续函数. 例如 y + xy + y = x2 y + x(y)2 + y = x2 (不是二阶微分方程)
定理 1 如果函数 y1 与 y2 是线性齐次方程的 两个解, 则函数 y = C1 y1 + C2 y2
解 求 y = 3e – x – xe – x 的导数, 得 y = - 4e – x + xe - x, y = 5e – x - xe - x,
有 将 y,y 及 y 代入原方程的左边, (5e – x - xe - x) + 2(- 4e – x + xe - x) + 3e – x – xe – x = 0, 即函数 y = 3e – x – xe – x 满足原方程, 所以该函数是 所给二阶微分方程的解.
微分方程的概念
100x
(4 )x y 5 y 3 x y c o s2x三阶
一
、
微 分
例2:指出下列微分方程的阶数。
方 程
(5)xdxy2dy0 一阶
的 概
(6)y8y4x41 二阶
念
(7)yey x2
一阶
(8)y3yx2y1 二阶
一
、 微
(三). 分类
分 方
分类3.线性与非线性方程:
程 当微分方程中所含的未知函数及其各阶导数全是一次幂 的 (不含乘积)时,微分方程就称为线性微分方程.
(3)dycosxdx
(4)
d2y dx 2
1
x
一
、
微 (三). 分类
分
方 分类2:微分方程的阶
程 的
微分方程中出现的未知函数最高阶导数的阶数,
概 称为微分方程的阶.
念 通常,n 阶微分方程的一般形式为
F(x, y, y, , y(n)) = 0,
其中 x 是自变量, y 是未知函数,F(x, y, y, , y(n)) 是已知函数,而且一定含有 y(n).
yy x
y2xy3yex
dy 6 y xy2 dx x
yxyy2
一
、
微 分
(三). 分类
方 分类1:按自变量的个数分
程
的 概
常微分方程.
念
y x
dy xy dx
偏微分方程.
z x y x
本章内容
一
、
微 分
例1:下列方程中,哪些是微分方程?哪些不是?
方
程 的
(1)y4y3y1
概
念 (2)y24y30
概 否则为非线性微分方程。 念
微分方程的基本概念和解法技巧
微分方程的基本概念和解法技巧微分方程是数学中重要的一种方程,它涉及到函数与它的导数之间的关系。
在物理学、工程学、经济学等领域中,微分方程广泛应用于描述各种变化和运动的规律。
了解微分方程的基本概念和解法技巧,对于理解和解决实际问题具有重要意义。
本文将介绍微分方程的基本概念以及一些常见的解法技巧。
一、微分方程的基本概念1. 定义:微分方程是含有未知函数及其导数的方程。
一般形式可以表示为 F(x, y, y', y'', ...) = 0,其中 y 是未知函数。
2. 阶数:微分方程的阶数是指该方程中导数的最高阶数。
常见的阶数有一阶、二阶和高阶微分方程。
3. 解:微分方程的解是满足方程的函数。
一般来说,一个微分方程可以有无穷多个解。
4. 初值问题:初值问题是求解微分方程时给定一个或多个初始条件,根据这些条件确定方程的解。
初值问题通常涉及到一个点上的初始状态。
5. 常微分方程和偏微分方程:常微分方程只涉及到一个自变量,而偏微分方程则涉及到多个自变量。
常微分方程的解是一类函数,而偏微分方程的解是一个函数族。
二、微分方程的解法技巧1. 变量可分离法:适用于可以将微分方程的变量分离开的情况。
通过将方程两边同时乘以不同变量的函数,使得方程可以变为两个积分的形式,从而得到解。
2. 齐次方程法:适用于可以通过变量代换将微分方程化为齐次方程的情况。
齐次方程中的未知函数可以表示为一个比值函数,通过变量代换后,方程可以化为一个仅依赖于一个变量的方程,从而得到解。
3. 一阶线性常微分方程:适用于形如 y' + p(x)y = q(x) 的一阶线性常微分方程。
通过乘以一个适当的积分因子将方程化为可积形式,然后求解积分得到方程的解。
4. 常系数线性微分方程:适用于形如 y⁽ⁿ⁾ + aₙy⁽ⁿ⁻¹⁾ + ... + a₁y' + a₀y =g(x) 的常系数线性微分方程。
通过猜测形式,得到特解和齐次方程的通解,从而得到方程的通解。
各类微分方程的解法大全
各类微分方程的解法1.可分离变量的微分方程解法一般形式:g(y)dy=f(x)dx直接解得∫g(y)dy=∫f(x)dx设g(y)及f(x)的原函数依次为G(y)及F(x),则G(y)=F(x)+C为微分方程的隐式通解2.齐次方程解法一般形式:dy/dx=φ(y/x)令u=y/x则y=xu,dy/dx=u+xdu/dx,所以u+xdu/dx=φ(u),即du/[φ(u)-u]=dx/x两端积分,得∫du/[φ(u)-u]=∫dx/x最后用y/x代替u,便得所给齐次方程的通解3.一阶线性微分方程解法一般形式:dy/dx+P(x)y=Q(x)先令Q(x)=0则dy/dx+P(x)y=0解得y=Ce-∫P(x)dx,再令y=u e-∫P(x)dx代入原方程解得u=∫Q(x) e∫P(x)dx dx+C,所以y=e-∫P(x)dx[∫Q(x)e∫P(x)dx dx+C]即y=Ce-∫P(x)dx+e-∫P(x)dx∫Q(x)e∫P(x)dx dx为一阶线性微分方程的通解4.可降阶的高阶微分方程解法①y(n)=f(x)型的微分方程y(n)=f(x)y(n-1)= ∫f(x)dx+C1y(n-2)= ∫[∫f(x)dx+C1]dx+C2依次类推,接连积分n次,便得方程y(n)=f(x)的含有n个任意常数的通解②y”=f(x,y’) 型的微分方程令y’=p则y”=p’,所以p’=f(x,p),再求解得p=φ(x,C1)即dy/dx=φ(x,C1),所以y=∫φ(x,C1)dx+C2③y”=f(y,y’) 型的微分方程令y’=p则y”=pdp/dy,所以pdp/dy=f(y,p),再求解得p=φ(y,C1)即dy/dx=φ(y,C1),即dy/φ(y,C1)=dx,所以∫dy/φ(y,C1)=x+C25.二阶常系数齐次线性微分方程解法一般形式:y”+py’+qy=0,特征方程r2+pr+q=06.二阶常系数非齐次线性微分方程解法一般形式: y”+py’+qy=f(x)先求y”+py’+qy=0的通解y0(x),再求y”+py’+qy=f(x)的一个特解y*(x)则y(x)=y0(x)+y*(x)即为微分方程y”+py’+qy=f(x)的通解求y”+py’+qy=f(x)特解的方法:①f(x)=P m(x)eλx型令y*=x k Q m(x)eλx[k按λ不是特征方程的根,是特征方程的单根或特征方程的重根依次取0,1或2]再代入原方程,确定Q m(x)的m+1个系数②f(x)=eλx[Pl(x)cosωx+P n(x)sinωx]型令y*=x k eλx[Q m(x)cosωx+R m(x)sinωx][m=max﹛l,n﹜,k按λ+iω不是特征方程的根或是特征方程的单根依次取0或1]再代入原方程,分别确定Q m(x)和R m(x)的m+1个系数。
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nfevals = nfevals + 1;
end
% Non-negative solution components
idxNonNegative = odeget(options,'NonNegative',[],'fast');
0 0 0 0 -5103/18656 -2187/6784
0 0 0 0 0 11/84
0 0 0 0 0 0
yout = zeros(neq,ntspan,dataType);
else % alloc in chunks
chunk = min(max(100,50*refine), refine+floor((2^13)/neq));
if Mtype > 0 % non-trivial mass matrix
Msingular = odeget(options,'MassSingular','no','fast');
if strcmp(Msingular,'maybe')
warning(message('MATLAB:ode45:MassSingularAssumedNo'));
end
% Handle solver arguments
[neq, tspan, ntspan, next, t0, tfinal, tdir, y0, f0, odeArgs, odeFcn, ...
options, threshold, rtol, normcontrol, normy, hmax, htry, htspan, dataType] = ...
odearguments(FcnHandlesUsed, solver_name, ode, tspan, y0, options, varargin);
nfevals = nfevals + 1;
% Handle the output
if nargout > 0
outputFcn = odeget(options,'OutputFcn',[],'fast');
error(message('MATLAB:ode45:NotEnoughInputs'));
end
end
end
end
% Stats
nsteps = 0;
nfailed = 0;
nfevals = 0;
% Output
FcnHandlesUsed = isa(ode,'functioБайду номын сангаас_handle');
end
if absh * rh > 1
absh = 1 / rh;
end
absh = max(absh, hmin);
else
absh = min(hmax, max(hmin, htry));
end
f(:,1) = f0;
% Initialize the output function.
solver_name = 'ode45';
% Check inputs
if nargin < 4
options = [];
if nargin < 3
y0 = [];
if nargin < 2
tspan = [];
if nargin < 1
nonNegative = ~isempty(idxNonNegative);
if nonNegative % modify the derivative function
[odeFcn,thresholdNonNegative] = odenonnegative(odeFcn,y0,threshold,idxNonNegative);
if haveOutputFcn
feval(outputFcn,[t tfinal],y(outputs),'init',outputArgs{:});
end
% THE MAIN LOOP
done = false;
while ~done
% By default, hmin is a small number such that t+hmin is only slightly
if nargout > 0
if output_sol
chunk = min(max(100,50*refine), refine+floor((2^11)/neq));
tout = zeros(1,chunk,dataType);
yout = zeros(neq,chunk,dataType);
f0 = feval(odeFcn,t0,y0,odeArgs{:});
nfevals = nfevals + 1;
end
t = t0;
y = y0;
% Allocate memory if we're generating output.
nout = 0;
tout = []; yout = [];
];
E = [71/57600; 0; -71/16695; 71/1920; -17253/339200; 22/525; -1/40];
f = zeros(neq,7,dataType);
hmin = 16*eps(t);
if isempty(htry)
% Compute an initial step size h using y'(t).
else
outputFcn = odeget(options,'OutputFcn',@odeplot,'fast');
end
outputArgs = {};
if isempty(outputFcn)
haveOutputFcn = false;
else
haveOutputFcn = true;
odeevents(FcnHandlesUsed,odeFcn,t0,y0,options,varargin);
% Handle the mass matrix
[Mtype, M, Mfun] = odemass(FcnHandlesUsed,odeFcn,t0,y0,options,varargin);
tout = zeros(1,chunk,dataType);
yout = zeros(neq,chunk,dataType);
end
end
nout = 1;
tout(nout) = t;
yout(:,nout) = y;
end
absh = min(hmax, htspan);
if normcontrol
rh = (norm(f0) / max(normy,threshold)) / (0.8 * rtol^pow);
else
rh = norm(f0 ./ max(abs(y),threshold),inf) / (0.8 * rtol^pow);
outputArgs = varargin;
end
end
refine = max(1,odeget(options,'Refine',4,'fast'));
if ntspan > 2
outputAt = 'RequestedPoints'; % output only at tspan points
f3d = zeros(neq,7,chunk,dataType);
else
if ntspan > 2 % output only at tspan points
tout = zeros(1,ntspan,dataType);
output_sol = (FcnHandlesUsed && (nargout==1)); % sol = odeXX(...)
output_ty = (~output_sol && (nargout > 0)); % [t,y,...] = odeXX(...)
% There might be no output requested...
outputs = odeget(options,'OutputSel',1:neq,'fast');
if isa(outputFcn,'function_handle')
% With MATLAB 6 syntax pass additional input arguments to outputFcn.
% Initialize method parameters.
pow = 1/5;
A = [1/5, 3/10, 4/5, 8/9, 1, 1];
B = [
1/5 3/40 44/45 19372/6561 9017/3168 35/384
sol = []; f3d = [];
if output_sol
sol.solver = solver_name;