常微分方程第一章课件

第一章
一阶微分方程
1.1学习目标：
1. 理解微分方程有关的基本概念, 如微分方程、方程阶数、解、通解、初始条件、初值问题等的定义和提法. 掌握处理微分方程的三种主要方法: 解析方法, 定性方法和数值方法.
2. 掌握变量分离法，用变量替换将某些方程转化为变量分离方程, 掌握一阶线性方程的猜测检验法, 常数变易法和积分因子法, 灵活运用这些方法求解相应方程, 理解和掌握一阶线性方程的通解结构和性质.
3. 能够大致描述给定一阶微分方程的斜率场, 通过给定的斜率场描述方程解的定性性质; 理解和掌握欧拉方法, 能够利用欧拉方法做简单的近似计算.
4. 理解和掌握一阶微分方程初值问题解的存在唯一性定理, 能够利用存在唯一性定理判别方程解的存在性与唯一性并解决与之相关的问题, 了解解对初值的连续相依性和解对初值的连续性定理, 理解适定性的概念.
5. 理解自治方程平衡点, 平衡解, 相线的概念, 能够画出给定自治方程的相线, 判断平衡点类型进而定性分析满足不同初始条件解的渐近行为.
6. 理解和掌握一阶单参数微分方程族的分歧概念, 掌握发生分歧的条件, 理解和掌握各种分歧类型和相应的分歧图解, 能够画出给定单参数微分方程族的分歧图解, 利用分歧图解分析解的渐近行为随参数变化的状况.
7. 掌握在给定的假设条件下, 建立与实际问题相应的常微分方程模型, 并能够灵活运用本章知识进行模型的各种分析.
1.2基本知识： (一) 基本概念
1. 什么是微分方程:
联系着自变量、未知函数及它们的导数（或微分）间的关系式（一般是 指等式），称之为微分方程. 2. 常微分方程和偏微分方程:
(1) 如果在微分方程中，自变量的个数只有一个，则称这种微分方程为常微分方程,
例如 )(2
2t f cy dt dy
b dt y d =++, 0)(2=++y dt dy t dt dy . (2) 如果在微分方程中，自变量的个数为两个或两个以上，则称这种微分方程为偏
微分方程. 例如 02
22222=∂∂+∂∂+∂∂z
T
y T x T , t T x T ∂∂=∂∂422. 本书在不特别指明的情况下, 所说的方程或微分方程均指常微分方程. 3. 微分方程的阶数: 微分方程中出现的未知函数最高阶导数的阶数. 例如，
)(2
2t f cy dt dy
b dt
y d =++ 是二阶常微分方程； 02
22222=∂∂+∂∂+∂∂z
T
y T x T 与t T x T ∂∂=∂∂422是二阶偏微分方程. 4. n 阶常微分方程的一般形式：
(,,,...,)0n n dy d y
F t y dt dt
=,
这里(,,,...,)n n dy d y F t y dt dt 是,,,...,n n dy d y t y dt dt 的已知函数，而且一定含有n n d y
dt
的项；y 是未知函数，t 是自变量. 5. 线性与非线性：
（1） 如果方程(,,,...,)0n n dy d y F t y dt dt =的左端是y 及,...,n n dy d y
dt dt
的一次有理式，则称(,,,...,)0n n dy d y
F t y dt dt
=为n 阶线性微分方程. （2） 一般n 阶线性微分方程具有形式：
1111()...()()()n n n n n n d y d y dy a t a t a t y f t dt dt dt
---++++= 这里1()a t ,…, ()n a t ,()f t 是t 的已知函数.
（3）不是线性方程的方程称为非线性方程. （4） 举例：
方程)(22t f cy dt dy
b dt y d =++是二阶线性微分方程； 方程0sin 22=+φφl g
dt
d 是二阶非线性微分方程；
方程0)(
2=++y dt
dy t dt dy 是一阶非线性微分方程. 6. 解和隐式解：
如果将函数()y t ϕ=代入方程(,,,...,)0n n dy d y
F t y dt dt
=后，能使它变为恒等式，则称函数()y t ϕ=为方程的解. 如果关系式,0t y
Φ=（）决定的隐函数()y t ϕ=是
方程的解，则称,0t y Φ=（）为方程的隐式解. 7. 通解与特解：
把含有n 个独立的任意常数n c c c ,...,,21的解 12(,,,...,)n y t c c c ϕ=称为n 阶方程
(,,,...,)0n n dy d y
F t y dt dt =的通解. 其中解对常数的独立性是指，对ϕ及其 1n -阶导数
11,...,n n d d dt dt
ϕϕ
--关于n 个常数 n c c c ,...,,21的雅可比行列式不为0, 即 121
2(1)(1)(1)1
2
0n n n n n n
c c c c c c c c c ϕ
ϕϕϕϕϕϕϕϕ---∂∂∂∂∂∂'''∂∂∂∂∂∂≠∂∂∂∂∂∂.
为了确定微分方程一个特定的解，通常给出这个解所必须满足的条件，称为定解条件.
常见的定解条件是初始条件, n 阶微分方程(,,,...,)0n n dy d y
F t y dt dt =的初始条件是指如下的n 个条件： 1(1)(1)00001,,...,n n n dy d y t t y y y y dt dt
---====，，这里(1)(1)
0000
,,,...,n t y y y -是给定的n+1个常数. 求微分方程满足定解条件的解，就是所谓定解问题. 当定解条件为初始条件时，相应的定解问题称为初值问题. 把满足初始条件的解称为微分方程的特解. 初始条件不同，对应的特解也不同.
(二) 解析方法
1．变量分离方程 形如
()()dy
f t y dt
ϕ=的方程为变量分离方程，其中(),()f t y ϕ分别为,t y 的连续函数.方程解法如下：若()0y ϕ≠，则
()()
()()dy
f t dt y dy
f t dt c
y ϕϕ==+⎰⎰
上式确定方程的隐式通解. 如果存在0y ，使得()00y ϕ=，则0y y =也是方程的解. 2. 可化为变量分离方程的方程
(1) 齐次方程
形如 ()dy y
g dt t
=的方程为齐次方程，()g u 为u 的连续函数. 解法如下：做变量替换y u t =，即y ut =，有
dy du
t u dt dt
=+，从而原方程变为 ()du t u g u dt +=，整理有()du g u u dt t
-=，此为变量分离方程，可求解. (2) 形如
111
222
a t
b y
c dy dt a t b y c ++=
++的方程, 其中121212,,,,a a b b c c , 为常数. ●
111
222
a b c k a b c ===的情形. 此时方程化为
,dy
k dt
=可解得y kt c =+. ●
112
2
0,a b a b =即
11
22
a b k a b ==的情形: 令 22,u a t b y =+ 则有 12222
2
ku c du dy
a b a b dt dt u c +=+=++ 此为变量分离方程. ●
11
22
0a b a b ≠的情形
对120c c ==的情况, 直接做变量替换y
u t
=. 当12,c c 不全为零, 求 1112220
0a t b y c a t b y c ++=⎧⎨
++=⎩的解为
t y α
β
=⎧⎨
=⎩. 令 T t Y y αβ=-⎧⎨=-⎩
, 则方程组化为
1122
00a T bY a T b Y +=⎧⎨
+=⎩. 原方程化为
12()a T bY dY Y
g dT a T bY T
+==+的齐次方程可求解. 3．一阶线性微分方程
(1) 一般形式：()()()0dy
a t
b t y
c t dt
++=，若()0a t ≠，则可写成
()()dy
P t y Q t dt
=+的形式. (2) 一阶齐次线性微分方程：
()dy
P t y dt =，通解为(),P t dt ce c ⎰ 为任意常数. (3) 一阶非齐次线性微分方程：()()dy
P t y Q t dt
=+，()0Q t ≠. (4) 齐次线性微分方程的性质
性质1 必有零解 0y =;
性质2 通解等于任意常数c 与一个特解的乘积; 性质3 任意两个解的线性组合也是该微分方程的解. (5) 非齐次线性微分方程的性质
性质1 没有零解;
性质2 非齐次方程的解加上对应齐次方程的解仍为非齐次方程的解; 性质3 任意两个非齐次方程的解的差是相应齐次方程的解. (6) 一阶非齐次线性微分方程的解法：
(i) 猜测-检验法对于常系数的情形，即 ()P t 为常数, 此时方程为
()dy
ay Q t dt
=+, a 为常数. 对应齐次方程的通解为at
ce , 只需再求一个特解, 这时根据()Q t 为特定的函数,
可猜测不同的形式特解. 事实上, 当()Bt
Q t Ae =, ,A B 为给定常数, 且B a ≠时
可设待定特解为Bt Ce , 而当B a =时, 可设特解形式为Bt
Cte , 后代入方程可确定待定常数C . 当()Q t 为cos ,sin At At 或它们的线性组合时, 其中A 为给定常数. 这时可设待定特解为cos sin B At C At +代入方程后确定,B C 的值. 当
()Q t 具有多项式形式1011n n n n a t a t a t a --++
++, 其中01,,n a a a 为给定常数
且00a ≠, 这时可设待定特解为1
01
1n
n n n b t bt b t b --++
++代入方程可求得
,0,1,,i b i n = 的值. 对于()Q t 有上述几种线性组合的形式, 则可设待定特解是
上述形式特解的线性组合. (ii) 常数变易法: 令()()P t dt
y c t e ⎰
=，代入方程，求出()c t 后可求得通解为
()()(())P t dt
P t dt
y e Q t e dt c -⎰
⎰=+⎰.
(iii) 积分因子法: 方程改写为
()()dy
P t y Q t dt
-=, 将()P t dt e μ-⎰=, 乘方程两端得 ()()()()()P t dt P t dt
P t dt dy e e P t y Q t e dt
---⎰
⎰⎰-= 即 ()()()()P t dt
P t dt d ye Q t e dt --⎰
⎰
=, 从而通解为 ()()()P t dt P t dt ye Q t e dt c --⎰⎰ =+⎰，即 ()()(())P t d t P t d t
y e Q t e
d t c
-⎰⎰= +⎰. 注意, 非齐次线性微分方程通解的结构是: 非齐次线性微分方程的通解等于其对应的齐次线性微分方程的通解加上非齐次线性微分方程的一个特解.
4. 伯努利(Bernoulli)方程. 形如
()()n dy
P t y Q t y dt
=+的方程, 其中 n 是常数且0,1,(),()n P t Q t ≠ 是连续函数, 称为伯努利方程. 伯努利方程可通过变量替换 1n z y -=化为
(1)()(1)()dy
n P t z n Q t dt
=-+-, 这是关于未知函数z 的线性方程, 可求其通解.
(三) 定性方法与数值方法：
1. 斜率场：
一阶微分方程
(,)dy
f t y dt =的解()y t ϕ=代表ty 平面上的一条曲线，称之为微分方程的积分曲线. 微分方程(,)dy
f t y dt
=的通解()y t ϕ=，c 对应于ty 平面上的一族曲线，称之为微分方程的积分曲线族. 满足初始条件00()y t y =的特解就是通过点00(,)t y 的一条积分曲
线. 方程
(,)dy f t y dt =的积分曲线上的每一点(,)t y 处的切线斜率dy
dt
刚好等于函数(,)f t y 在这点的值. 也就是，积分曲线的每一点(,)t y 以及这点上的切线斜率dy
dt
恒满足方程；反之，
如果在一条曲线每点上其切线斜率刚好等于函数(,)f t y 在这点的值，则这一条曲线就是方程的积分曲线. 这样，可以用(,)f t y 在ty 平面的某个区域D 内定义过各点的小线段，其斜率为(,)f t y ，一般称这样的小线段为斜率标记. 而对ty 平面上D 内任一点(,)t y , 有这样一个小线段与之对应, 这样在D 内形成一个方向场, 称为斜率场. 斜率场是几何直观上描
述解的常用方法
2. 欧拉方法：
求微分方程初值问题
00(,)
()dy
f t y dt
y t y
⎧=⎪⎨⎪=⎩ 的解，可以从初始条件00()y t y =出发，按照一定的步长t ∆ 依照某种方法逐步计算微分方程的近似解()n n y y t =, 这里0n t t n t =+∆这样求出的解称为数值解. 利用欧拉公式
10(,),n n n n n y y f t y t t t n t +=+∆ =+∆,
可求初值问题的近似解，这种方法称为欧拉方法.
欧拉方法具有一阶误差精度 .如果我们先用欧拉公式求出近似解,再利用梯形公式进行校正, 得到的近似解将具有2阶误差精度, 具体为 预测: 1(,)n n n n y y f t y t +=+∆, 校正: 11,11
[(,)()]2
n n n n n n y y f t y f t y t ++ +=++∆, 这种方法称为改进的欧拉方法.
(四) 解的存在性、唯一性及解对初值的连续相依性
1. 利普希茨（lipschitz ）条件: 函数(,)f t y 称为在区域2
D ⊆R 内关于y 满足利普希茨条件，是指如果存在常数0L >，使得不等式
1212(,)(,)f t y f t y L y y -≤-
对于所有的12(,),(,)t y t y D ∈都成立, 其中L 称为利普希茨常数. 2. 基本定理
(1) 解的存在性定理: 设(,)f t y 在矩形区域2
{(,):,}D t y a t b c y d =∈ << <<R 内连续.
如果00(,)t y D ∈, 那么，存在0ε> 和函数()y t , 定义于区间00(,)t t εε-+内，是初值问
题00(,)()dy
f t y dt y t y
⎧=⎪⎨⎪=⎩ 的解. (2) 解的唯一性定理: 设(,)f t y 在矩形区域2
{(,):,}D t y a t b c y d =∈ << <<R 内连续
且关于y 满足利普希茨条件. 如果00(,)t y D ∈并且12(),()y t y t 是初值问题00(,)
()dy
f t y dt
y t y
⎧=⎪⎨⎪=⎩在区间00(,)t t εε-+内的两个解，那么对任意的00(,)t t t εε∈-+,12()()y t y t =,即解是唯
一的.
注记1: 存在性定理和唯一性定理结合在一起称为初值问题解的存在唯一性定理，叙述如下：设(,)f t y 在矩形区域2{(,):,}D t y a t b c y d =∈ << <<R 内连续且关于y 满足利普希茨条件. 如果00(,)t y D ∈, 那么，存在0ε> 和函数()y t , 定义于区间
00(,)t t εε-+内，是初值问题00(,)
()dy
f t y dt
y t y
⎧=⎪⎨⎪=⎩ 的唯一解. 因而当我们判断初值问题解的存在唯一性时，要检查(,)f t y 需要满足的条件.
注记2: 由于利普希茨条件较难检验，常用(,)f t y 在
2{(,):,}D t y a t b c y d =∈ ≤≤ ≤≤R
上对y 有连续偏导数来代替. 事实上，如果在D 上
y f ∂∂存在且连续，则y
f
∂∂在D 上有界. 设在D 上
L y
f
≤∂∂, 这时 2121212
(,())
(,)(,)
f t y y y f t y f t y y y y
θ∂+--
=-
∂21y y L -≤
, 其中 12(,),(,),01t y t y D θ∈ <<. 但反过来满足利普希茨条件的函数(,)f t y 不一定有偏导数存在. 例如(,)||f t y y = 在任何区域内都满足利普希茨条件，但它在0y =处没有导数.
(3) 解对初值的连续相依性定理
设(,)f t y 在矩形区域2
{(,):,}D t y a t b c y d =∈ << <<R 内连续且关于y 满足利普希茨
条件. 如果00(,)t y D ∈，00(,,)y t t y ϕ=是初值问题00(,)
()dy
f t y dt y t y
⎧=⎪⎨⎪=⎩在区间00(,)t h t h -+内
的解，其中 0h >,那么，对任意给定的0>ε，必能找到正数(,)0h δδε=>，使得 当
22
20000t t y y δ-+-<（）（）时，初值问题00(,)()dy
f t y dt
y t y
⎧=⎪⎨⎪=⎩的解00(,,)y t t y ϕ=在区间
00(,)t h t h -+内也有定义，并且
0000|(,,),,|,t t y x t y ϕϕε-<（） 00(,)t t h t h ∈-+. (4) 解对初值的连续性定理
设(,)f t y 在矩形区域2{(,):,}D t y a t b c y d =∈ << <<R 内连续且关于y 满足利普希茨
条件. 如果00(,)t y D ∈，00(,,)y t t y ϕ=是初值问题00(,)
()dy
f t y dt y t y
⎧=⎪⎨⎪=⎩的解, 那么00(,,)
t t y ϕ作为00,,t t y 的三元函数在它存在的范围内是连续的.
3. 初值问题的适定性
当一个微分方程初值问题的解存在, 唯一并且解连续的依赖于初始条件时, 我们称该问题
是适定的. 那么, 对于常微分方程初值问题00(,)
()dy
f t y dt y t y
⎧=⎪⎨⎪=⎩, 只要在00(,)t y 所在的区域内,
(,)f t y 连续并且关于y 满足利普希茨条件, 则该初值问题是适定的.
(五) 自治方程的平衡点与相线
1. 自治方程 当一阶微分方程
(,)dy f t y dt =的右端项只是y 的函数而与自变量t 无关, 即()dy f y dt
=时, 称为自治方程.
2. 平衡解与平衡点 对自治方程
()dy
f y dt
=而言, 若()0f y =有解0y y =, 则称 0()y t y ≡ 是方程的平衡解, 而点0y 称为方程的一个平衡点. 3. 相线
相线是仅仅对自治方程
()dy
f y dt
=而言的一种简化的斜率场. 自治方程的斜率场在水平直线上的斜率标记是一样的, 这样只要知道一条竖直直线上的斜率标记, 我们就可以知道整个斜率场. 因而, 在一个竖直的直线上, 我们用向上的箭头表示正的导数, 用向下的箭头表示负的导数. 对于导数为零的点, 用实心圆点来标记它, 则形成该自治方程的相线. 4. 画相线的基本步骤 (1) 画出y -线(竖直线),
(2) 找到并在y -线上标记平衡点,不连续点或定义域外的点 (3) 找到()0f y >的区间, 在这些区间上画上向上的箭头, (4) 找到()0f y < 的区间, 在这些区间上画上向下的箭头.
5. 初值问题
0(),(0)dy
f y y y dt
= =解的渐近行为 (1) 趋向于平衡点, 如01
()(1),2
f y y y y =- =;
(2) 在无限时间内趋于无穷, 如0(),1f y y y = =; (3) 在有限时间内趋于无穷(爆破), 如20(),1f y y y = =; (4) 在有限时间内停止(导数趋于无穷), 如 01
(),1f y y y
=- =. 6. 平衡点的分类
对于自治方程
()dy
f y dt
=, 如果()f y 在(,)-∞+∞ 内连续, 那么它的解当t 增加时要么(在有限或无限时间里)趋于+∞或-∞, 要么渐近趋于平衡点. 因而,平衡点在自治方程的
研究中起着重要的作用. (1) 汇
对于初值接近0y 的解, 当t 增加时, 都渐近趋于0y . 对于这样的平衡点0y , 我们称之为汇, 它是稳定的. (2) 源
对于初值接近0y 的解, 当t 增加时, 都远离0y . 对于这样的平衡点0y , 我们称之为源,它是不稳定的. (3) 结点
既不是源也不是汇的平衡点, 我们称之为结点,它也是不稳定的. 7. 判断平衡点类型的线性化方法 1. 如果0y 是自治方程
()dy
f y dt
=的一个平衡点, 即0()0f y =, 那么 (1) 0y 是源当且仅当()f y 在0y 附近严格单调增加; (2) 0y 是汇当且仅当()f y 在0y 附近严格单调递减. 2. (线性化定理) 如果0y 是自治方程()dy
f y dt
=的一个平衡点, 即0()0f y =, 并且()f y 是连续可微的, 那么 (1) 若0()0f y '> 则0y 是源; (2) 若0()0f y '<, 则0y 是汇;
(3) 若
0()0f y '=, 则需要进一步的信息决定其类型.
(六) 分歧
一阶微分方程解的渐近行为随参数变化发生了类型的变化, 我们称之为分歧现象(或分支, 分叉).
1. 分歧发生的条件 对于单参数微分方程族()(,)dy f y f y dt
μμ==, 0μμ=是一个分歧值的必要条件是: 存在平衡点0y , 使得 0000(,)(,)0f f y y y
μμ∂==∂. 这样我们要找分歧点可以通过求解方程组 (,)0(,)0f y f y y μμ=⎧⎪∂⎨=⎪∂⎩
, 得到解 00(,)y μ,0μ为可能的分歧值, 而0y 是可能发生分歧的平衡点. 2. 分歧图解与分歧类型
分歧图解是y μ 平面上方程在分歧值附近的所有相线的图, 用以强调当参数经过分歧值时相线所经历的变化.
(1) 鞍结点分歧
在分歧图解(图1-1)中, 当μ从左到右经过分歧值0μ时, 方程的平衡点从两个变为一个再变为不存在, 这种分歧一般称之为鞍结点分歧. 这类分歧图解在分歧值附近是抛物线的形状
(2) 在分歧图解(图1-2)中,当μ从右到左经过分歧值0μ=时, 方程的平衡点由三个变为一个, 这种分歧一般称之为音叉分歧
.
图 1-1 鞍结点分歧 图 1-2 音叉分歧
图 1-3 跨越分歧 图 1-4 复合分歧
(3) 在分歧图解(图1-3)中, 当0μ= 时, 方程有一个平衡点; 当0μ≠ 时, 方程有两个平衡点. 0μ=是一个分歧值. 虽然在分歧值的两侧方程都有两个平衡点，但平衡点的稳定性会改变. 当0μ> 时, 0y =是一个汇,它是稳定的; 当0μ<时, 0y =是一个源,它 是不稳定的. 这类分歧一般称为跨越分歧.
(4) 在分歧图解(图1-4)中, 当 μ从左到右变化时,相应的方程平衡点依次由一个变为两个,三个,两个再变回一个, 这种分歧一般称之为复合分歧.
(七) 一阶微分方程的应用
1. 增长和衰减问题
设 ()S t 为正在增长或衰减的某研究对象的总量. 如果假设它随时间的变化率
dS dt
与当前数目成正比, 其比例系数为 k , 则有 dS kS dt =, 或 0dS kS dt
-=. 设()S t 可微, 因而是连续函数. Malthus 人口模型满足上述微分方程, 虽然对人口问题, ()S t 是离散的, 只能取整数值, 但该模型系统在一定情况下提供了很好的近似
对某一生物种群进行研究时, 该生物种群的增长往往受资源和环境的限制, 引进参量N , 称为最大承载量, 用以表示自然资源和环境条件所能容纳的最大数量, 并且假定 （1）当基数很小时，增长率与当前数成正比；
（2）当基数很大，达到资源和环境不能承受的时候，数量开始减少，即增长率为负的. 此时方程可改写为
(1)dS S k S dt N
=-, 称为具有增长率k 和最大承载量N 的Logistic 模型，该模型最早由荷兰生物学家 Verhulst
在1838年提出.
2. 温度问题
牛顿冷却定律(亦适应于加热的情况)说明物体的温度随时间的变化率与物体所处的周围环境的温差成正比, 设 T 是物体的温度, T 是所处环境的温度, 那么物体温度随时间的变化率为dT dt
, 牛顿冷却定律可表示为 ()dT k T T dt
=--, 其中k 是正的比例系数, 而负号表示在冷却过程中, 物体温度 T 大于周围环境温度T , 变化率0dT dt <. 在加热过程中0dT dt
>, 此时T T <. 3. 稀释问题
一容器最初容纳0V 升盐水溶液, 其中含盐 a 克. 每升含盐 b 克的盐水溶液以e 升/分的速度注入,同时, 搅拌均匀的溶液以f 升/分的速度流出, 问在任何时刻 t , 容器中的含盐量.
设Q 为任何时刻容器中的含盐量. Q 的变化率dQ dt
等于盐的注入率减去流出率. 盐的注入率是 be 克/分. 要决定流出率, 首先计算在时刻t , 容器中的溶液的体积, 它等于最初的体积0V 加上注入的体积 et 后减去流出的体积ft . 因此, 在任一时刻t , 盐水的体积是 0V et ft +-. 在任何时刻的浓度是 0Q V et ft +-, 由此得流出率为 0Qf V et ft
+-/分. 于是得到微分方程 0dQ Qf be dt V et ft =-+-, 即 0dQ f Q be dt V et ft
+=+-, 这是一个一阶线性方程.
4. 电路
一个简单的 RC 回路是包含有电阻R (欧姆), 电容C (法拉)和电源V (伏特),如图
1-5.
图1-5 RC 电路 图1-6 RL 电路
由电路学知识，C 的电压()v t 与电阻R 的电压之和应为电源的电压()V t . 电路中的电流
I (安培)为 ()dQ dCv t dv I C dt dt dt =
==, 其中 Q 为电量从而R 处的电压为 dv RI RC dt
=, 由此我们可以建立RC 电路的模型如下：
()dv RC v V t dt +=, 即 ()dv V t v dt RC
-=. 对于一个包含有电阻R (欧姆), 电感L (亨利)和电源V (伏特)的RL 回路,如图1-6. 电路
中的电流应满足的基本方程为 dI R V I dt L L +=.
(八) 种群生态学中的模型
设()y t 表示一个生物种群的数量, t 为时间, 最简单的种群模型是 Malthus 模型
dy ky dt
=. Malthus 模型的解()(0)kt y t y e =预测了种群数量的指数增长.由于种群数量大的时候，对资源的竞争加剧，因此单位增长率会随种群数目增大而减小，因此更为合理的假设是
()dy yf y dt
= (*) 这里()f y 是单位增长率，因为dy dt 为增长率，y 是种群数量, 而()/dy f y y dt =. 当考虑种群数量的变化时.对()f y 而言, 其代数形式并不重要, 而关键是其单调性, 凸凹性, 这样我们可以对其进行大致分类:
(1) 若()f y 在[0,)+∞上是递减的，称(*)为 Logistic 型；
(2) 若()f y 在[0,)+∞上是先增后减的，称(*)为 Allee 效应型；
(3) 若()f y 在[0,)+∞上是递减再递增最后递减的，称(*)为 Hysteresis 型.
1.3典型例题：
例1 考虑微分方程 3220dy y y y dt
=--, 问 (1) y 为何值时, ()y t 将保持不变?
(2) y 为何值时, ()y t 将增加?
(3) y 为何值时, ()y t 将减少?
解: 因为当0dy dt =时, ()y t 将保持不变; 当0dy dt >时, ()y t 将增加; 当0dy dt
<时, ()y t 将减少. 由3220dy y y y dt
=--知, (1) 当32200y y y --=, 即0,4,5y y y = =-=时, ()y t 将保持不变.
(2) 当32200y y y -->, 即40y -<< 或5y > 时, ()y t 将增加.
(3) 当32200y y y --<, 即4y <- 或05y << 时, ()y t 将减少.
例2 假定在鄱阳湖中一种鱼类的数量()S t 随时间的变化按Logistic 模型增长, 增
长率为k , 最大承载量为N , 即有 (1)dS S k S dt N
=-. 如果每年要从湖中捕获一定量的鱼, 试按下述不同情形对模型做适当修改,
(1) 每年捕获10吨?
(2) 每年捕获总量的三分之一?
(3) 捕获量与总量的平方根成正比?
解: (1)
(1)10dS S k S dt N
=--. (2) 1(1)3
dS S k S S dt N =--. (3) (1)dS S k S l S dt N =--, 其中 l 是捕获量与总量平方根的比例系数. 例3 求解方程dy t dt y
=- 解：变量分离得 ydt tdy =-.
两边积分 22222
y t c =-+. 通解为 22t y c +=, c 为任意正常数.
例4 求解方程2
31dy y dx xy x y
+=+ 解：变量分离得
221(1)ydy dx y x x =++, 两边积分 2221()1(1)1ydy dx x dx y x x x x ==-+++⎰⎰⎰.
即 22111ln(1)ln ||ln(1)22
y x x c +=-++, 1c 为任意常数, 整理得
222(1)(1)y x cx ++=, 12c c e =为任意正的常数.
例5 求解方程tan dy y x
y dx x
-=. 解: 将方程改写为 tan dy y y dx x x
=+, 这是齐次方程, 做变量替换y u x =，即y ux =，有dy du x u dx dx
=+，从而原方程变为 tan du x u u u dx +=+ 即
tan du u dx x
= 利用分离变量法求得 s i n u c x =, 代回原变量得通解为
sin y cx x
=, c 为任意常数 例6 求解方程22dy x y x y dx
=+-. 解: 方程改写为
2s g n 1()d y y y x d x x x =+⋅- 令u =y x ，则y u x =，从而2sgn 1du x u u x u dx
+=+⋅- 当210u -≠时，2sgn 1du
x dx x
u =-, arcsin sgn ln u x x c =⋅+, 即 arcsin sgn ln y x x c x
=⋅+, c 为任意常数．此外，还有解210u -=，即22y x =．
例7 求解方程 13
dy x y dx x y -+=+- 解: 解方程组 1030x y x y -+=⎧⎨+-=⎩
的解 为 12x y =⎧⎨=⎩. 令 12
X x Y y =-⎧⎨=-⎩ , 则原方程化为 dY X Y dX X Y -=+.
令 Y u X = ,则可化为变量分离方程 2
1,12dX u du X u u +=-- 解得 222Y XY X c --=, 代回原变量 有
22262y xy x y x c +---=, c 为任意常数
.
例8 求解方程 2()dy y b t dt
-=, 其中 (1) 2()1b t t t =++,
(2) 4()t b t e =
(3) 2()3t b t e =
(4) ()cos3b t t =
(5) 422()3cos31t t b t e e t t t =+++++
解: 对应齐次方程的通解为 2t y ce =, 下面用猜测-检验法求特解
(1) 设 21y At Bt C =++ 代入 221dy y t t dt
-=++, 有 2222()1At B At Bt C t t +-++=++
解得 1,1,12A B C =- =- =-, 从而21112y t t =---, 原方程的通解为 22112
t
y ce t t =---, c 为任意常数. (2) 设 42t y Ae = 代入 42t dy y e dt -=, 有 44442t t t Ae Ae e -=
解得 12A =
, 从而4212
t y e =, 原方程的通解为 2412t t y ce e =+, c 为任意常数. (3) 不能设2t Ae 形式的特解, 因为它是相应齐次方程的解,不可能是非齐次方程的解, 设 23t y Ate = 代入 22t dy y e dt
-=, 有 2222223t t t t Ate Ae Ate e +-=
解得 3A =, 从而233t y te =, 原方程的通解为
2223(3)t t t y ce te c t e =+=+, c 为任意常数.
(4) 设 4cos3sin3y A t B t =+ 代入 2cos3dy y t dt
-=, 有 3sin33cos32(cos3sin3)cos3A t B t A t B t t -+-+=
有 2310320
A B A B -+-=⎧⎨ --=⎩, 解得 23,1313A B =- =, 从而423cos3sin 31313
y t t =-
+, 原方程的通解为 223cos3sin 31313t y ce t t =-+, c 为任意常数.
(5) 根据叠加原理, 由前面4个小题知方程有特解
422512313cos3sin 31213132
t t y e te t t t t =+-+--- 原方程的通解为
242212313cos3sin 31213132
t t t y ce e te t t t t =++-+---,c 为任意常数. 例9 求方程2
2dy y dx x y =-的通解. 解: 将方程改写为
222dx x y x y dy y y
-==-. 求齐次线性微分方程 2dx x dy y
=, 得通解为2x cy =. (常数变易法) 令 2()x c y y =代入原方程 得
()1,()ln ||dc y c y y c dy y
=- =-+, 从而可得原方程的通解为
2(ln ||)x y y c =-+, c 为任意常数.
例10 求方程26dy y ty dt t
=-的通解. 解: 此为 2n =的伯努利方程. 令 1z y -=可得
6dz z t dt t =-+，
此为线性方程可求通解为 2
68
c t z t =-+, 代回原变量得 2
618
c t y t =-+, 即 68
8
t t c y -=, c 为任意常数. 此外, 原方程还有解0y =.
例11 用积分因子法求解方程 32(1)1
dy y t dt t =+++. 解: 方程改写为 32(1)1
dy y t dt t -=++, 积分因子为 221()(1)dt t t e t μ- -+⎰==+, 乘方程两端得 23(1)2(1)1dy t t y t dt
--+-+=+, 即 2(1)1d t y t dt
-+=+, 有 421(1)(1)2y t c t =+++, c 为任意常数.
例12 若()f t 连续且0()
()10t f t f s ds t = , ≠⎰, 试求函数()f t 的一般表达式. 解: 设0()()t
F t f s ds =⎰, 则()F t 可导且()()F t f t '=, 这样有1,dF F
FdF dt dt = =, 得 2()2,()2F t t c F t t c =+ =±+, 又(0)0F =, 得0c =. 从而 ()2F t t =±, 进而 1()()2f t F t t
'==±. 例13 求具有性质 ()()()1()()
y t y s y t s y t y s ++=- 的函数 ()y t , 已知(0)y '存在. 解: 首先令 0s =, 由已知可得 ()(0)()1()(0)y t y y t y t y +=
-, 化简有 2(0)(1())0y y t +=, 知 (0)0y =. 由函数的导数定义
00202002()()
()lim
()()()1()()lim ()(1())lim (1()())()1()lim lim 1()()
(0)(1())
s s s s s y t s y t y t s
y t y s y t y t y s s
y s y t s y t y s y s y t s y t y s y y t →→→→→+-'=+-- =+ =-+ = -' = + 变形为 2(0)1()
dy y dt y t '=+, 积分得 arctan ()(0)y t y t c ' = +, 由(0)0y =, 知 0c =, 所以满足条件的函数为 ()tan (0))y t y t '= (.
例14 下面给定8个微分方程和4个斜率场, 请选出斜率场相应的微分方程, 并说明理
由. (1) 2dy t dt =- (2) 24dy y dt =- (3) 2dy y t dt
=- (4) 2dy t dt =- (5) 24dy y dt =- (6) 2dy y dt =- (7) dy yt t dt =+ (8) 2dy y t dt
=+
图1-7 图1-8
图1-9 图1-10
解: 图1-7对应于(4),
图1-8对应于(3),
图1-9对应于(2),
图1-10对应于(7). 这是因为
图1-7的斜率场竖直方向上的斜率标记一样, 知方程的右端项仅是自变量t 的函
数()f t , 且当 2t >, ()0f t <, 当2t <时, ()0f t >, 只有(4)满足要求. 图1-8的斜率场知方程右端项为(,)f t y 是 ,t y 的函数, 且当 0y <时,
(,)0f t y <, 只有(3)满足.
图1-9的斜率场知方程为自治方程有平衡点 2,2y y ==-, 且在 22y -<<时,
()0f y <, 知只有(2)满足要求.
图1-10的斜率场知方程右端项为(,)f t y 是 ,t y 的函数, 且有平衡解 1y =-, 只有(7)满足要求.
例15 利用欧拉方法和改进的欧拉方法, 对步长 0.1t ∆=, 在区间[0,1]上求初值问
题
21,(0)0dy
y y dt
=+ =的近似解. 解: 这里 2
00(,)1,0,0f t y y t y =+==. 利用欧拉公式
10(,),n n n n n y y f t y t t t n t +=+∆ =+∆,
和 改进的欧拉方法,
预测: 1(,)n n n n y y f t y t +=+∆, 校正: 11,11
[(,)()]2
n n n n n n y y f t y f t y t ++ +=+
+∆,
分别计算如下表:
欧拉方法
改进的欧拉方法
n n t
n y
(,)n n f t y 预测的n y
校正的n y 真 解
tan y t =
0 0
1
0 0 1 0.1 0.1000 1.0100 0.1000 0.1005 0.1003 2 0.2 0.2010 1.0404 0.2015 0.2030 0.2027 3 0.3 0.3050 1.0930 0.3072 0.3098 0.3093 4 0.4 0.4143 1.1716 0.4194 0.4234 0.4228 5 0.5 0.5315 1.2825 0.5413 0.5470 0.5463 6 0.6 0.6598 1.4353 0.6769 0.6849 0.6841 7 0.7 0.8033 1.6453 0.8318 0.8429 0.8423 8 0.8 0.9678 1.9366 1.0140 1.0299 1.0296 9 0.9 1.1615 2.3491
1.2360 1.2592 1.2602 10 1
1.3964
2.9499
1.5179
1.5537
1.5574
例16 讨论微分方程 2
33dy
y dt
=在怎样的区域内满足存在唯一性定理的条件,并求通过点(0, 0) 的一切解.
解: 由 23
(,)3f t y y =, 知它在全平面内连续, 又由于13(,)
2f t y y y
-∂=∂, 在除去0
y =的区域内连续, 从而在除去0y =的有界闭区域内有界, 进而满足利普希茨条件, 知方程满足初始条件00()0y t y =≠的解在充分小的邻域内存在并且唯一. 当 0y =时, 函数0y =是方程过 (0,0) 的解.
当0y ≠时, 方程可变形为 2313y dy dt - =, 积分得 3
()y t c =+, c 为任意常数.当
0c =时, 得特解 3y t = 是过 (0,0) 的另一个解, 其实, 除零解外, 过(0,0)的所有
解可以表示为3111(),0,t c t c y t c ⎧- <=⎨ ≥⎩,3222(),0,t c t c y t c ⎧- >=⎨ ≤⎩, 3
1
132212
(),(),0,t c t c y t c t c c t c ⎧- <⎪
=- >⎨⎪
≤≤⎩,
其中12,c c 是满足10c ≤,20c ≥的任意常数, 这些解的定义区间为(,)-∞ +∞, 但本质上在充分小的邻域 (,)εε-内方程所确定的过(0,0)的解只有四个,
即 函数3
0,y y t = =, 3,00,t t y t εε
⎧ -<<=⎨ 0≤<⎩及30,0
,t y t t εε -<<⎧=⎨ 0≤<⎩.
例17 举例说明一阶微分方程初值问题00(,)
()dy
f t y dt y t y
⎧=⎪⎨⎪=⎩解的存在唯一性定理中, 关于
(,)f t y 在矩形区域2{(,):,}D t y a t b c y d =∈ << <<R 内连续,关于y 满足
利普希茨条件是保证解的存在唯一的非必要条件.
解: (1) 当连续条件不满足时, 解也可能是存在唯一的. 如方程
1,(,)0,y t dy
f t y y t dt =⎧==⎨
≠⎩
, 显然, (,)f t y 在以原点为心的任何矩形区域内不连续, 间断点为直线y t =, 但过原点的解存在唯一, 这个解就是y t =.
(2) 当利普希茨条件不满足时, 解也可能是唯一的. 如
ln ||,0(,)0,y y y dy
f t y y t dt ≠⎧==⎨
=⎩
, 由于 11111|(,)(,0)||ln ||0||ln ||||0|f t y f t y y y y -=-=⋅-,
当 110,ln ||y y → →-∞无界, 因而(,)f t y 在以原点为心的任何矩形领域内不满足利普希茨条件. 然而方程的所有解为 x
ce y e =±,c 为任意常数, 及 0y =.过原点(0,0)有唯一解 ()0y t =. 例18 对微分方程
(2)(5)dy
y y y dt
=--而言, 利用存在唯一性定理, 说明满足下列初始条件的解是否存在, 如果存在你能否知道这个解或有关这个解的一些性质.
(1) (0)6y =， (2) (0)5y =， (3) (0)1y =, (4) (0)1y =-.
解: 由方程的右端项为 ()(2)(5)f y y y y =--仅为 y 的函数在全平面上连续可微,
从而由存在唯一性定理, 给定初始条件的解是存在并且是唯一的. 首先由
()(2)(5)f y y y y =--知方程有()0,()2,()5y t y t y t = = =三个平衡解.
(1) 初始条件为 (0)6y =, 初值位于()5y t =的上方, 由唯一性, 满足这个初始。