微分方程应用举例

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微分方程——附应用及历史注记

微分方程——附应用及历史注记
微分方程是数学中一个重要的分支，它研究函数和其导数之间的关系，并通过求解微分方程来得到函数的表达式。

微分方程在自然科学、工程技术、经济学等领域都有广泛的应用。

微分方程的应用包括：
1. 物理学中的运动学：微分方程广泛应用于描述物体的运动、振动、波动等现象。

例如，牛顿第二定律可以用微分方程形式来描述。

2. 经济学中的人口增长：微分方程可以用来描述人口的增长和资源的利用情况，从而研究经济的发展和可持续发展的问题。

3. 化学中的反应动力学：微分方程可以用来描述化学反应的速率以及反应物之间的变化关系，从而研究反应的速率规律和反应机制。

4. 生物学中的生物体内过程：微分方程可以用来描述生物体内的过程，如生物反应、基因传递等，从而研究生物体的运动、生长和进化。

5. 工程技术中的控制系统：微分方程可以用来描述控制系统的动态响应和稳定性，从而设计和分析自动控制系统。

6. 金融学中的金融模型：微分方程可以用来描述金融市场的价格波动和利率变化，从而研究金融资产的定价和风险管理。

微分方程的历史可以追溯到17世纪，当时数学家牛顿、莱布
尼茨等人对微分学的研究奠定了基础。

18世纪末至19世纪初，拉格朗日、欧拉等数学家对微分方程的解法进行了系统的研究，建立了微分方程的一般理论，并推动了微分方程的应用。

20世纪以来，微分方程得到了快速发展，特别是在数值解法
和动力系统的研究方面取得了重要进展。

现代微分方程研究已经成为数学和应用科学的重要分支之一，为各个领域的问题提供了强有力的工具和方法。

例谈微分方程在实际问题中的简单应用

例谈微分方程在实际问题中的简单应用微分方程是数学领域中一个重要的分支，它研究的是包含未知函数及其导数的方程。

微分方程在物理学、工程学、经济学等实际问题中有着广泛的应用。

本文将以实际问题为例，说明微分方程在实际中的应用。

一、弹簧振子的运动弹簧振子是物理学中的一个经典问题，可以通过微分方程来描述其运动。

假设弹簧的质量为m，弹簧常数为k，弹簧的形变量（位移）为x(t)，则弹簧振子的运动可以描述为二阶线性微分方程：m*x''(t)+k*x(t)=0二、放射性衰变放射性元素的衰变过程可以用微分方程进行建模。

设放射性物质的衰变速率与物质的量成正比，即衰变速率为a（a>0）与物质的量x(t)成正比，可得微分方程：x'(t)=-a*x(t)三、生物种群增长生物种群增长问题也可以通过微分方程进行描述。

设种群数量为N(t)，种群增长速率与种群数量成正比，即增长速率为k（k>0）与种群数量N(t)成正比，可得微分方程：N'(t)=k*N(t)四、空气中的弥散空气中的弥散问题可以用微分方程进行建模。

设空气中其中一种气体的浓度为C(x,t)，C满足浓度的扩散方程：C_t = D*C_xx其中，C_xx表示浓度在x方向上的二阶导数，D为气体的扩散系数。

五、电路中的RLC振荡电路中的RLC振荡是电子学中的一个重要问题，可以通过微分方程进行描述。

设电路的电感L、电阻R和电容C分别为常数，电路的电压为V(t)，则振荡电路的微分方程为：L*V''(t)+R*V'(t)+1/C*V(t)=0以上是几个常见实际问题的微分方程应用，说明了微分方程在实际问题中的简单应用。

通过建立微分方程模型，可以定量地描述和分析复杂的实际问题，从而为问题的解决提供了理论依据。

微分方程在实际问题中的应用不仅帮助人们更好地理解和解决问题，而且还推动了数学理论和方法的发展。

随着科学技术的进步，微分方程将在更多领域中发挥重要作用。

微分方程应用题

微分方程应用题
微分方程在科学，工程以及经济等领域都有广泛的应用。

以下将具体阐述微分方程在实际问题中的应用。

首先，典型的微分方程应用题能够在生物学中找到。

例如，在研究种群动态时，微分方程被用来描述种群的增长率。

假设一个种群的数量为N，每个个体的出生率和死亡率都是常数，那么可以建立如下的微分方程：dN/dt = rN，其中r是出生率
与死亡率的差值。

借助这个微分方程，可以研究种群数量随时间的变化。

其次，微分方程在化学反应中也能找到应用。

化学反应速率往往与反应物质的浓度有关，可以用微分方程来描述这种关系。

例如，某一化学反应的速率k与反应物质A的浓度成正比，那么可以建立如下的微分方程：d[A]/dt = -k[A]，此微分方
程可以用来研究化学反应的进行。

此外，微分方程在物理学中的应用也十分广泛。

例如，牛顿第二定律F=ma就
是一种微分方程，其中F是力，m是质量，a是加速度，是速度对时间的导数。

微
分方程能够准确描述物体在力的作用下的运动状态。

在电路设计中，微分方程也有非常重要的应用。

例如，考虑一个包含电阻、电容和电感的RLC电路，可以通过基尔霍夫定律建立电荷Q和时间t的关系，形成
微分方程。

经济学也是微分方程的重要应用领域。

在许多宏观经济模型中，经济变量如消费、投资、利率等往往被视为时间的函数，通过微分方程可以研究这些变量随时间的动态变化情况。

总之，微分方程的应用极为广泛，几乎渗透到各个学科的各个角落。

通过解微分方程，我们可以理解和预测许多自然和社会现象的动态过程。

微分方程应用

微分方程应用微分方程是数学中的重要分支，它有着广泛的应用。

本文将介绍微分方程在不同领域的应用，包括物理学、生物学和经济学等。

通过这些应用实例，我们将看到微分方程在解决实际问题中的重要性和价值。

一、物理学中的物理学是微分方程的一个主要应用领域。

许多自然现象可以通过微分方程来描述和解释。

例如，牛顿第二定律将物体的运动与其所受的力联系在一起，可以用微分方程表示为：$$m\frac{{d^2x}}{{dt^2}} = F(x)$$其中，$m$代表物体的质量，$x$代表物体的位置，$t$代表时间，$F(x)$代表作用在物体上的力。

通过解这个微分方程，我们可以预测物体随时间的变化和轨迹。

二、生物学中的微分方程在生物学中也有广泛的应用。

许多生物过程可以用微分方程建模，如人口增长、药物动力学和神经元的激活等。

以人口增长为例，我们可以用以下微分方程描述：$$\frac{{dN}}{{dt}} = rN(1-\frac{{N}}{{K}})$$其中，$N$代表人口数量，$t$代表时间，$r$代表人口的增长率，$K$代表环境的承载能力。

通过解这个微分方程，我们可以了解人口随时间的变化趋势，从而制定相应的政策措施。

三、经济学中的微分方程在经济学中也有重要的应用。

例如，经济增长模型可以用以下微分方程表示：$$\frac{{dY}}{{dt}} = sY - c$$其中，$Y$代表经济产出，$t$代表时间，$s$代表储蓄率，$c$代表消费。

通过解这个微分方程，我们可以预测经济增长的速度和趋势，为经济政策的制定提供依据。

总结：微分方程是数学中的重要工具，具有广泛的应用领域。

无论是在物理学、生物学还是经济学中，微分方程都能用来描述和解释自然现象，并从中得出有用的结论。

通过研究微分方程的应用，我们可以更好地理解和预测现实世界中的各种问题，为解决这些问题提供有效的方法和方案。

在实际应用中，需要根据具体问题选择合适的微分方程模型，并结合相关领域的知识和数据进行求解和验证。

微分方程应用题

dp = ap − bp 2 dt
这个方程被称作群体增长的逻辑律，数字a、b称为群体的生命系数。
草履虫实验数学生物学家G．F．Gause对草履虫做了一个实验：把五只草履虫个体放入一个很小的试管中，管内盛有 0.5cm3的培养基，每天计算一下个体的数量．共持续六天。结果发现，当数量不大时．这种草履虫以每天 230.9%的速度增长。最初个体的数量迅速地增加，后来就比较慢了，到了第四天使达到375的最高水平，虫体占满了试管。从这个数据我们得出结论，如果草履虫依照逻辑律 dp/dt＝ap-bp2增长，那么a＝2.309，b＝ 2.309/375；因此，逻辑律预测 2.309 × 5 p (t ) = 5 × 2.309 / 5 + ( 2.309 − 5 × 2.309 / 375 ) e −2.309t
常数估算某些生态学家已经估算出a的正常值是 0.029．我们还知道，当人口总数为(3.06)×109 时，人类人口以每年2%的速率增长。因为 (1/p)/(dp/dt)＝a-bp，我们看到 0.02＝a-b(3.06)×109 因此，b＝2．941×10-12．这样，根据群体增长的逻辑律．地球上的人类人口将趋于极限值
1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970
3,080,367,474 3,136,451,432 3,205,956,565 3,277,024,728 3,346,002,675 3,416,184,968 3,485,881,292 3,557,690,668 3,632,294,522 3,707,475,887
1991-2004年人口及增长率年人口及增长率
1991 5,365,480,276 1.55 1992 5,449,369,636 1.49 1993 5,531,014,635 1.44 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 5,611,269,983 5,691,759,210 5,770,701,020 5,849,885,301 5,927,556,529 6,004,170,056 6,079,603,571 1.42 1.38 1.36 1.32 1.28 1.25 1.21 2001 2002 2003 2004 6,153,801,961 1.18 6,226,933,918 1.16 6,299,763,405 1.15 6,372,797,742 1.14

数学与微分方程解析微分方程在科学与工程领域中的应用案例

数学与微分方程解析微分方程在科学与工程领域中的应用案例在科学与工程领域中，微分方程是一种重要的数学工具，用于描述物理、化学、生物等领域中的各种现象和问题。

微分方程解析的应用案例有很多，下面将介绍其中一些典型的案例。

案例一：电路中的RLC电路在电路中，RLC电路是一种常见的电路类型，由电阻（R）、电感（L）和电容（C）组成。

我们可以利用微分方程来描述电路中电压和电流的变化情况。

设电容的电压为Vc(t)，电感的电流为I(t)，电阻上的电压为VR(t)。

根据基尔霍夫电压定律和欧姆定律，可以得到如下微分方程：L(dI/dt) + RI + 1/C∫I(t)dt = V(t)通过解这个微分方程，我们可以得到电路中电流和电压随时间的变化规律，从而对电路的稳定性和响应进行分析和预测。

案例二：化学反应动力学在化学反应中，微分方程可以用来描述反应物的浓度随时间的变化规律。

例如，一级反应的速率可以用下面的微分方程来表示：d[A]/dt = -k[A]其中，[A]表示反应物A的浓度，k为反应速率常数。

通过求解这个微分方程，我们可以得到反应物浓度随时间的变化曲线，从而研究反应的速率和影响因素。

案例三：机械振动系统在工程领域中，微分方程可以用来描述机械振动系统的运动规律。

例如，单自由度弹簧振子的运动可以由下面的微分方程表示：m(d2x/dt2) + kx = 0其中，m为质量，k为弹簧的弹性系数，x为位移。

通过求解这个微分方程，我们可以得到振子的运动规律，包括振幅、频率和相位等信息。

案例四：人口增长模型微分方程还可以用来描述人口增长模型。

例如，常见的Logistic增长模型可以用下面的微分方程表示：dP/dt = rP(1-P/K)其中，P表示人口数量，r为人口增长率，K为环境容量。

通过解这个微分方程，我们可以研究人口的增长趋势和极限状态。

总结：微分方程在科学与工程领域中有着广泛的应用，上述案例只是其中的一部分。

数学与微分方程解析的应用可以帮助科学家和工程师更好地理解和预测自然和人工系统的行为，优化设计和控制方案。

高考数学中的微分方程应用及实例题解析

高考数学中的微分方程应用及实例题解析一、微分方程的应用微分方程在数学中有着广泛的应用，而在高考数学中尤为重要。

微分方程可以用来描述各种物理和工程问题中的连续变化。

在高考数学中，微分方程的应用主要包括解决物理和工程问题，并用微分方程模型求解。

下面，我们将以几个实例来解释微分方程的应用。

二、实例题解析1. 一个水箱有一个进水口和一个排水口，进水口的水速是10升/分钟，排水口排水的速度是6升/分钟。

在水箱的初态下，水箱的水量是7升。

求15分钟之后水箱的水量是多少？解答：由于水箱的进水口和排水口都是连续变化的，因此可以用微分方程来模拟。

不妨设水箱的初始状态下的水量为y，当t时间后，进水和排水的水量都为10-6=4升/分钟，因此有：y'(t)=4根据微分方程得：y(t)=4t+C由于初态下，水量为7升，因此C=7。

当t=15时，有：y(15)=4*15+7=67因此，15分钟后水箱的水量是67升。

2. 某商品的回报率为r，市场容量有限，其市场占有率y变化满足dy/dt=ry(1-y)，y初始为0.2，求当市场占有率达到60%时所需的时间。

解答：由于市场占有率随时间的变化是连续变化的，因此可以用微分方程来模拟。

设市场占有率为y，时间为t，有：dy/dt=ry(1-y)将该微分方程分离变量得：1/(y(1-y))dy=rdt两边积分得：ln|y/(1-y)|=rt+C由于当y=0.2时，t=0，因此C=ln(1/4)。

当y=0.6时，有：ln|0.6/(1-0.6)|=0.4r+C代入C得：ln(3/2)=0.4r+ln(1/4)解得r=ln3/16，因此所需的时间为：t=[ln(3/2)-ln(1/4)]/0.4ln3/16≈8.25因此，市场占有率达到60%时所需的时间为8.25。

三、总结微分方程在高考数学中的应用极为广泛，需要考生有扎实的微积分和数学建模的基础。

通过多做微分方程的实例题目，可以帮助考生更好地掌握微分方程的应用方法和技巧。

高中数学中的微分方程应用题

高中数学中的微分方程应用题微分方程是数学中的一个重要分支，也是高中数学的一部分。

它能够描述许多实际问题，并提供解决问题的方法。

本文将聚焦于高中数学中微分方程的应用题，通过一些具体的例子来展示微分方程在实际问题中的应用。

第一节：人口增长模型假设一个城市的人口增长速度与当前人口成正比，可以建立以下微分方程：$\frac{{dp}}{{dt}}=k \cdot p$其中，$p$代表城市的人口数量，$t$代表时间，$k$代表增长率。

以某城市的人口增长为例，已知该城市当前的人口数量为100万，增长率为10%。

我们可以利用上述微分方程来求解未来几年该城市的人口数量。

解微分方程可得：$\frac{{dp}}{{p}}=0.1 \cdot dt$对上式两边同时积分，可得：$\ln|p|=0.1t+C$其中，$C$为常数。

由已知条件可知，当$t=0$，$p=100$。

代入上式得：$\ln|100|=C$解得$C=\ln 100$。

因此，原微分方程的通解为：$\ln|p|=0.1t+\ln 100$化简得：$\ln|p|=0.1t+\ln 100=0.1t+\ln e^{4.60517}$再次化简得：$\ln|p|=0.1t+\ln(e^{4.60517})$$\ln|p|=0.1t+4.60517$取指数得：$p=e^{0.1t+4.60517}$经过计算可得，当$t=10$时，$p\approx22026$。

即在10年之后，该城市的人口数量约为22万。

第二节：放射性衰变模型放射性衰变是非常常见的物理现象，可以使用微分方程来描述。

某放射性元素的衰变速率与其当前的数量成正比，可以建立以下微分方程：$\frac{{dN}}{{dt}}=k \cdot N$其中，$N$代表放射性元素的数量，$t$代表时间，$k$代表衰变常数。

以某放射性元素的衰变为例，已知初始时刻$t=0$时，放射性元素的数量为1000克，衰变常数为0.1年$^{-1}$。

高等数学小论文—微分在生活中的应用

微分在生活中的应用1.计算利率和复利：在金融领域，微分可以用来计算利率和复利。

在实际应用中，微分被用于计算连续复利。

假设本金为P，年利率为r，投资时间为t年，那么根据微分的思想，t年后本金和利息之和可以表示为P(1+rt)。

这个公式可以方便快捷地计算出投资在一段时间后的增长倍数，为我们进行投资决策提供了依据。

2.预测未来走势：在经济学中，微分被用来描述变量之间的关系，如价格和需求量之间的关系、成本和产量之间的关系等。

这种关系通常被表达为微分方程或差分方程。

通过求解这些方程，我们可以得到变量随时间变化的规律，从而预测未来的走势。

例如，在商品市场中，价格和需求量之间的关系可以通过微分方程来表示。

通过对这个方程的求解，我们可以预测在未来一段时间内，价格会如何变化，需求量会如何变化，从而制定出更加合理的经济政策。

3.优化生产过程：在工业生产中，微分可以帮助我们优化生产过程。

具体来说，通过对生产过程中的各种变量进行微分分析，可以找出哪些变量对生产效率有影响。

然后，我们可以通过调整这些变量的参数来优化生产过程，提高生产效率。

例如，在生产汽车零部件时，通过对生产过程的微分分析，可以找出对生产效率影响较大的环节，如刀具磨损、模具寿命等，并采取措施来优化这些环节，从而提高生产效率。

4.医学成像：在医学领域，微分也被广泛应用于医学成像。

例如，在CT扫描中，微分被用来重建图像。

具体来说，CT扫描是通过测量人体不同部位在不同时间点的辐射量来重建图像的。

而微分则可以用来分析和处理这些测量数据，以重建出更准确的图像。

在这个过程中，微分可以帮助我们更好地理解图像的形成过程和人体内部的结构特征，为医生的诊断和治疗提供依据。

5.计算机科学：在计算机科学中，微分被广泛应用于机器学习和人工智能领域。

例如，深度学习模型中的反向传播算法就使用了微分。

通过微分，我们可以计算出模型参数的更新量，从而优化模型的性能。

6.自然科学研究：在自然科学领域，微分被广泛应用于物理、化学、生物学等学科的研究。

微分方程应用举例

ln M t ln c , 即M ce t ,
代入M
t 0
M 0 , 得 M 0 ce C
0
M M 0e
t
衰变规律
案例3【物体冷却问题】将某高温物体置于空气中冷却，假定空气温度恒为 24o C ，在时刻 t 0时，测得其温度为 150o C ， 10分钟后测得温度为 100o C ．已知牛顿冷却定律：物体冷却速率与物体和介质的温差成正比．求物体的温度与时间的函数关系，并计算分钟后该物体的温度． 20
解设 T T (t ),
则T (t ) 0. 由牛顿冷却定律，有
dT k ( t 24), k 0 dt T (0) 150.
用通解公式法解得 24 126e T
将T (10) 100代入，解得
k t
1 126 k ln 0.051 10 76
R sin t L cos t
代入上式，得
E0 R sin t L cos t Ce i 2 2 2 R L
R t L
又i (0) 0，代入上式，求得
E0 L C 2 ， 2 2 R L
所以
R t E0 R sin t L cos t L e L i (t ) 2 2 2 R L
所以 T 24 126e
0.051t
将t 20代入，解得
T ( 20) 24 126e
0.05120
64(C )
案例4【电路电流问题】设有一电路如图所示，R 是电阻，L是电感，它们都是常数，电源的电动势为 E E0 sin t
R
L E

第六节微分方程的应用举例

第六节微分方程的应用举例在学习了以上几节内容关于微分方程解法的基础上，本节将举例说明如何通过建立微分方程解决一些在几何上和物理上的实际问题。

例1 设曲线过（1，1），且其上任意点p 的切线在y 轴上的截距是切点纵坐标的三倍，求此曲线方程（图12-1）解：设所求的曲线方程为()()y x P x y y ,，=为其上任意点，则过点P 的切线方程为()x X y y Y -'=-. 其中()Y X ,是切线上动点，()y x ,是曲线上L令0=X ,的y x y Y '-=为切线在y 轴上的截距。

由x所给的条件得微分方程：图12-1y y x y 3='-这是一阶线性齐次方程，易得其通解为2xCy =。

因曲线过点（1，1），代入上式，得1=C ，所以曲线方程为21x y =. 例2 设跳伞员开始跳伞后所受的空气阻力与他下落的速度成正比（比例系数为常数0>k ），起跳时的速度为0。

求下落的速度与时间之间的函数关系。

解：这是一个运动问题，我们可以利用牛顿第二定律ma F =建立微分方程。

首先，设下落速度为()t v ，则加速度()t v a '=。

再分析运动物体所受的外力。

在此，跳伞员只受重力和阻力这两个力的作用。

重力的大小为mg ，方向与速度方向一致；阻力大小为kv ，方向与速度方向相反。

因此，所受的外力为kv mg F -=，于是，由牛顿第二定律可得到速度()t v 应满足的微分方程为v m kv mg '=-，又因为假设起跳时的速度为0，所以，其初始条件为00==t v ，至此，我们已将这个运动问题化为一个初值问题()⎩⎨⎧=-='.00,v kv mg v m 解此初值问题。

这是一个一阶线性非齐次微分方程，但由于v v '，的系数及自由项均为常数，故也可按分离变量方程来解。

求出方程的通解为t mk Cekv mg -=-.将初始条件()00=v 代入，得mg C =。

微分方程数学模型应用举例

微分方程数学模型应用举例
1. 生物学模型：微分方程可以用于描述生物系统中的各种动态过程。

例如，Lotka-Volterra模型是一种描述捕食者和被捕食者之间相互作用的微分方程模型，可以用于研究食物链中物种的数量和相互关系。

2. 经济学模型：微分方程可以用于描述经济系统中的各种变化和趋势。

例如，Solow增长模型是一种描述经济增长和资本积累的微分方程模型，可以用于分析国家经济发展的长期趋势。

3. 物理学模型：微分方程可以用于描述物理系统中的各种动态过程。

例如，带有阻尼和驱动力的简谐振动可以用二阶线性常微分方程来描述，可以用于研究机械系统中的振动现象。

4. 化学反应动力学模型：微分方程可以用于描述化学反应中物质浓度随时间变化的关系。

例如，化学反应速率方程可以用一阶或二阶线性微分方程来描述，可以用于研究化学反应速率的变化规律。

5. 环境科学模型：微分方程可以用于描述环境系统中的各种变化和相互作用。

例如，Black-Scholes模型是一种描述金融市场中期权价格变化的微分方程模型，可以用于分析金融市场的波动和风险。

6. 工程科学模型：微分方程可以用于描述工程系统中的各种动态过程。

例如，控制系统中的传递函数可以用微分方程表示，可以用于研究系统的稳定性和响应特性。

这些只是微分方程在数学模型中的一些应用举例，实际上微分方程在各个学科领域中都有广泛的应用。

微分方程的应用解决实际问题

微分方程的应用解决实际问题微分方程（differential equation）是研究自变量与其导数之间关系的方程，它在物理、工程、经济等各个领域具有广泛的应用。

通过对微分方程的求解，我们可以获得关于变量的函数，并使用这些函数解决实际问题。

本文将探讨微分方程在实际问题中的应用，并介绍其中一些经典的例子。

一、人口增长模型人口增长模型是微分方程在生物学和人口统计学中的重要应用之一。

假设一个封闭的人口系统，不考虑人口迁移和死亡，仅考虑人口的出生与人口的自然增长，可以建立如下微分方程：dp/dt = rp其中，p表示人口数量，t表示时间，r表示人口的增长速率。

这个简单的微分方程描述了人口的变化率和人口数量之间的关系。

通过解这个微分方程，我们可以预测未来的人口数量，进行人口规划。

二、弹簧振动模型弹簧振动是物理学中经典的问题，通过微分方程可以精确描述。

考虑一个带质量的弹簧系统，弹簧的位移与时间的关系可以由如下的二阶微分方程表示：m(d^2x/dt^2) + kx = 0其中，m表示质量，k表示弹簧的劲度系数，x表示位移。

这个微分方程描述了弹簧振动的力学原理。

通过求解这个微分方程，我们可以得到弹簧的振动频率和振幅等信息，以及在真实的弹簧系统中进行振动控制和设计。

三、放射性衰变问题放射性衰变是核物理学中的重要研究内容，也可以通过微分方程来描述。

放射性核素的数量随时间的变化满足以下微分方程：dp/dt = -λp其中，p表示放射性核素的数量，t表示时间，λ表示衰变常数。

这个微分方程描述了放射性核素的衰变速率与剩余核素数量之间的关系。

通过求解这个微分方程，我们可以计算出放射性核素的衰变速率、半衰期等相关信息，为核能研究和核工业提供重要的理论支持。

四、热传导问题热传导是热力学和材料科学中的重要问题，在微分方程的框架下可以得到精确的解析解。

考虑一个一维热传导问题，热传导方程可以表示为：d^2u/dx^2 = α(du/dt)其中，u表示温度场，x表示空间坐标，t表示时间，α表示热传导系数。

微分方程的应用题解析

微分方程的应用题解析微分方程是数学中的一个重要概念，它在各个领域中都有广泛的应用。

本文将对微分方程的应用进行解析，介绍其中一些典型的应用场景和解决方法。

一、物理问题中的微分方程应用物理学是微分方程应用的一个典型领域，例如描述运动的牛顿第二定律常常以微分方程的形式出现。

以质点在空气中的自由下落为例，假设质量为m的物体所受到的空气阻力与其下落速度成正比，那么可以建立如下微分方程：m * g - k * v = m * a其中，m是物体质量，g是重力加速度，v是速度，k是阻力系数，a是加速度。

这个微分方程可以通过求解来得到物体下落的速度与位置随时间的变化规律。

二、生物学中的微分方程应用生物学中有很多与生物体的增长、传播等相关的问题需要用到微分方程。

以人口增长模型为例，假设某地人口增长速率与当前人口数量成正比，那么可以建立如下微分方程：dp/dt = k * p其中，p是人口数量，t是时间，k是增长率常数。

该微分方程可以用来预测未来人口数量的变化趋势。

三、工程学中的微分方程应用工程学中的许多问题都可以用微分方程来描述，如电路中的电流、振动问题等。

以RLC电路为例，假设电路中的电阻、电感和电容分别为R、L和C，那么可以建立如下微分方程：L * d^2i(t)/dt^2 + R * di(t)/dt + 1/C * i(t) = E(t)其中，i(t)是电流随时间的变化，E(t)是电压源。

通过求解该微分方程，可以得到电流随时间的变化规律，从而分析电路的性质和特点。

四、经济学中的微分方程应用经济学中的一些经典模型也可以转化为微分方程求解，如供需平衡、增长模型等。

以凯恩斯消费函数为例，假设消费支出与收入呈线性关系，那么可以建立如下微分方程：dC/dt = a * Y - b * C其中，C是消费支出，Y是收入，a和b是系数。

通过求解该微分方程，可以分析消费支出随时间的变化和经济政策对经济增长的影响。

总结：微分方程在不同领域中都有广泛的应用，包括物理学、生物学、工程学和经济学等。

第八章微分方程本章主要通过几个具体的例子，说明微分方程的应用问题

221第八章微分方程本章主要通过几个具体的例子，说明微分方程的应用问题，并介绍一些基本概念及几种常用的微分方程的解法．第一节微分方程的基本概念例1 自由落体运动自由落体运动是指物体在仅受到地球引力的作用下，初速度为零的运动．根据牛顿第二定律：ma F =，它的运动路程)(t s s =大小的变化规律可表示为：m g dtsd m =22．且还满足0)0(,0)0(='=s s ，即⎪⎩⎪⎨⎧='==(2) 0)0(,0)0((1) 22s s g dt sd对（1）两边积分，得 1C gt dtds+=，（３）对（３）两边积分，得21221C t C gt s ++=，（４）这里21,C C 都是任意常数．将（2）代入（４），得0,012==C C ．故自由落体运动路程的规律为221gt s =．（５）这是微分方程应用的最早一个例子．例２ Malthus 人口模型英国人口学家马尔萨斯（Malthus T R 1766-1834）根据百余年的人口统计资料，于18世纪末提出著名的人口模型．该模型假设人口的净相对增长率（出生率减去死亡率）是常数，即单位时间内人口的增长量与当时的人口数成正比．设时刻t 的人口为)(t x ，净相对增长率为r ，我们将)(t x 当作连续变量考虑，开始时（0=t ）的人口数量为0x ，即0)0(x x =．按照Malthus 理论，于是)(t x 满足如下方程为：⎪⎩⎪⎨⎧==(7).)0((6), 0x x rx dt dx其中r 为常数．（6）称为Malthus 人口模型．对（6）整理，得r d t xdx=．（8）对（8）两边积分，得rt Ce t x =)(，（9）222将（7）代入（9），得0x C =，故人口增长规律为rt e x t x 0)(=．（10）如果0>r ，（10）表明人口将以指数规律无限增长．特别地，当∞→t 时，+∞→)(t x ，这似乎不可能．这个模型可以与19世纪以前欧洲一些地区的人口统计数据很好地吻合，但是当后来人们用它与19世纪的人口资料比较时，误差较大．例３ Logistic 模型荷兰生物数学家V erhulst 引入常数m x 表示自然资源和环境条件所能容许的最大人口，并假定净相对增长率等于⎪⎪⎭⎫⎝⎛-m x t x r )(1，即净相对增长率随着)(t x 增加而减少．因为随着人口的增加，自然资源，环境条件等因素对人口继续增长的阻滞作用越来越显著．如果人口较少时（相对于资源而言）人口增长率还可以看作常数．当人口增加到一定数量后，增长率就会随着人口的继续增加而逐渐减少．这正是对Malthus 人口模型中人口的固定净相对增长率的修正．这样，Malthus 人口模型（6）变为：⎪⎩⎪⎨⎧=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=(12). )0((11), )()(10x x t x x t x r dt dx m该模型的解为()rtm me x x x t x -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=110，（13）易看出，当+∞→t 时，m x t x →)(．这个模型称为Logistic 模型，其结果经计算与实际情况比较吻合．此模型在很多领域有着较广泛的应用．例４广告模型在当今这个信息社会中，广告在商品推销中起着极其重要的作用．当生产者生产出一批产品后，便会考虑到广告的大众性和快捷性，利用广告促销作用更快更多地卖出产品．那么，广告与促销到底有何关系？广告在不同时期的效果如何？下面建立独家销售的广告模型来研究．该模型假设：商品的销售速度会因做广告而增加，但当商品在市场趋于饱和时，销售速度将趋于极限值，这时，销售速度将开始下降；自然衰减是销售速度的一种性质，商品销售速度的变化率随商品的销售率的增加而减少．设)(t s 为t 时刻商品的销售速度，M 表示销售速度的上限；0>λ为衰减因子常数，即广告作用随时间增加，而自然衰减的速度；)(t A 为t 时刻的广告水平（以费用表示）．建立方程为：⎪⎩⎪⎨⎧=-⎪⎭⎫⎝⎛-⋅⋅=(15) )0((14) )()(1)(0s s t s M t s t A p dtds λ 其中p 为响应函数，即)(t A 对)(t s 的影响力，p 为常数．223由假设知，当销售进行到某个时刻时，无论怎样作广告，都无法阻止销售速度的下降，故选择如下广告策略：⎩⎨⎧>≤≤=ττt t A t A 00)(，其中A 为常数．在[]τ,0时间内，设用于广告的花费为a ，则τaA =，代入（14），有ττλa p s a M p dt ds ⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅++，令τλa M p b ⋅+=； τpac =．则有c bs dtds=+．（16）解（16），得bcke t s bt+=-)( ，（17）其中k 为任意常数．将（15）代入（17），得()bt bt e s e bct s --+-=01)(，（18）当τ>t 时，由)(t A 的表达式，则（14）为s dtdsλ-=．（19）其解为()t e t s t s -=τλ)()(．（20）这样，联合（18）与（20），得到()()⎪⎩⎪⎨⎧>≤≤+-=---τττττλt e s t e s e bct s btbt )(01)(0．（21）其图形如图8-1．224图8-1上述四个例子中的关系式(1)、（6）、（11）和（14）都含有未知函数的导数，它们都是微分方程．一般地，凡是含有自变量、自变量的未知函数以及未知函数的导数（或微分）的方程，都叫做微分方程．如果微分方程中，自变量的个数只有一个，则称之为常微分方程；自变量的个数为两个或两个以上，则称之为偏微分方程．本章只讨论常微分方程.微分方程中所出现的未知函数的最高阶导数的阶数，叫做微分方程的阶．例如方程（6）、（11）和（14）是一阶微分方程；方程（1）是二阶微分方程．一般地，n 阶微分方程的形式是,,(y x F )(,,n y y ')=0 (22)其中2+n F 是个变量的函数．这里必须指出，在方程（22）中，)(n y 必须出现的，而)1(,,,,-'n y y y x 等变量则可以不出现．例如n 阶微分方程01)(=+n y中，除)(n y 外，其他变量都没有出现．如果能从方程（22）中解出最高阶导数，得微分方程),,,,()1()(-'=n n y y y x f y (23)以后我们讨论的微分方程都是这种已解出最高阶导数的方程或能解出最高阶导数的方程，且（23）式右端的函数在所讨论的范围内连续．由前面的例子我们看到，在研究某些实际问题时，首先要建立微分方程，然后找出满足微分方程的函数（解微分方程），就是说，找出这样的函数，把这函数代入微分方程能使该方程成为恒等式．这个函数就叫做该微分方程的解．确切地说，设函数)(x y ϕ=在区间I 上有n 阶连续导数，如果在区间I 上，0)](,),(),(,[)(≡'x x x x F n ϕϕϕ那么函数)(x y ϕ=就叫做微分方程（22）在区间I 的解．由前面的例子，可知函数（4）和（5）都是微分方程（1）的解；函数（9）和（10）都是微分方程（6）的解；函数（13）是微分方程（11）的解；函数（21）是微分方程（14）的解．如果微分方程的解中含有任意常数，且任意常数的个数与微分方程的阶数相同，这样的解叫做微分方程的通解．例如，函数（9）是微分方程（6）的解，它含有一个任意常数，而方程（6）是一阶的，所以函数（9）是微分方程（6）的通解；函数(4)是方程（1）的解，它含有两个任意常数，而方程（1）是二阶的，所以函数（４）是方程（1）的通解．在利用微分方程求解实际问题时，所得到的含有任意常数的通解因其具有不确定性而不能满足需要，通常还要根据问题的实际背景，加上某些特定的条件，确定通解中的任意常数．用来确定通解中任意常数值的条件叫做初始条件．例1中的条件（2），例2中的条件（7）等,便是初始条件．一般地，设微分方程中的未知函数为)(x y y =，如果微分方程是一阶的，通常用来确定任意常数的初始条件是,00y y x x ==时，或写成 00y yx x ==．225其中0x 、0y 都是给定的值；如果微分方程是二阶的，通常用来确定任意常数的初始条件是：,00y y x x ==时，0y y '='，或写成 00y yx x ==,0y y x x '='=．其中00,y x 和0y '都是给定的值．由初始条件确定了通解中的任意常数的解，就叫做微分方程的特解．例如（5）式是方程（1）满足条件（2）的特解；（10）式是方程（6）满足条件（7）的特解．微分方程的解所对应的几何图形叫做微分方程的积分曲线．通解的几何图形是一族积分曲线，特解所对应的几何图形是一族积分曲线中的一条．第二节变量分离方程从本节开始，我们将在微分方程基本概念的基础上，从求解最简单的微分方程—可分离变量的微分方程入手，从易到难地介绍一些微分方程的解法．形如)()(y x f dxdyϕ= （1）的方程，称为变量分离方程．其中)(x f 和)(y ϕ分别是x 和y 的连续函数．下面说明方程（１）的求解方法．如果0)(≠y ϕ，我们可将方程（１）改写成dx x f y dy)()(=ϕ 这样，变量就“分离”开来了，两边积分，得到方程（1）的通解C dx x f y dy+=⎰⎰)()(ϕ （2）这里我们把积分常数C 明确写出来，而把)(y dy ϕ⎰，dx x f )(⎰分别理解为)(1y ϕ，)(x f 的某一个原函数．如果存在0y ，使0)(0=y ϕ，直接代入方程（1），可知0y y =也是（1）的解．如果它不包含在方程的通解（2）中．必须予以补上．例1 求微分方程xy dxdy2= (3) 的通解．226解方程（3)是变量分离方程，变量分离后得xdx ydy2=，两端积分⎰⎰=xdx y dy2，得 12ln C x y +=，从而 2112x C C x e e e y ±=±=+，因1Ce ±仍是任意常数，把它记作C ，得到2x Ce y =．（4）此外，0=y 显然也是方程（3）的解，如果在（4）中允许0=C ，则0=y 也就包含在（4）中，因此，（3）的通解便是方程（4），其中C 是任意常数．例２解方程0)1(=++dy x xydx ．（5）解变量分离，得 dx x xy dy 1+-=，两边积分，得dx x xy dy 1+-=⎰⎰， ⎰⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=+-+-=dx x dx x x y 111111ln ， 1ln 1ln ln C x x y +-=+-， 1ln 1lnC x x y+-=+， x Ce x y-=+1（1C C ±=），故所求方程的通解为x e x C y -+=)1(．（6）此外，0=y 显然也是方程（５）的解，而0=y 包含在（６）中，因此，方程（6）是（5）的通解，其中C 是任意常数．例３解Malthus 人口模型：227rx dtdx=， 0)0(x x =．解变量分离，得rdt xdx=，两边积分，得C rt x ln ln +=，rt Ce t x =)(，因初始条件()00x x =，所以0x c =，故满足初始条件的解为rt e x t x 0)(= ．第三节齐次方程形如)(xydx dy ϕ= （１）的方程，称为齐次方程．这里)(u ϕ是u 的连续函数．例如：0)2()(22=---dy xy x dx y xy ，是齐次方程，因为)(21)(2222xy x yxy xyx y xy dx dy --=--=．下面说明方程（１）的求解方法．作变量变换，令xyu =，（２）即ux y =，于是dxdu x u dx dy +=，（３）将（２）和（３）代入方程（1），则原方程变为)(u dxduxu ϕ=+，即 u u dxdux -=)(ϕ．变量分离，得xdxu u du =-)(ϕ，两边积分，得228⎰⎰=-x dxu u du )(ϕ．求出积分后，再用xy代替u ，便得所给齐次方程的通解．例1 解方程dxdyxydx dy x y =+22．解原方程可写成1)(222-=-=xy x y xxy y dx dy ，因此是齐次方程．令,u xy=则 dxdu x u dx dy ux y +==,，于是原方程变为12-=+u u dx du x u ，即 1-=u u dx du x ．变量分离，得xdx du u =-)11(，两端积分，得x C u u ln ln =+-，或写为 C u xu +=ln ．以xy代入上式中的u ，便得所给方程的通解为 C xyy +=ln ．例2 求解方程y xy dxdyx=+2 )0(<x ．解将方程改写为xy x y dx dy +=2 )0(<x ，这是齐次方程．以u xy =及u dx duu dx dy +=代入，则原方程变为 u dxdux 2=，（4）分离变量，得到xdxudu =2，229两边积分，得到（4）的通解C x u +-=)l n (，即()[]2ln C x u +-=． )0)(l n (>+-C x 这里C 是任意常数．（5）此外，方程（4）还有解 0=u ，注意，此解并不包括在通解（5）中．代回原来的变量，即得原方程的通解[]2)l n (C x x y +-= )0)(l n (>+-C x 及解0=y ．第四节一阶线性微分方程一、一阶线性微分方程形如)()(x Q y x P dxdy=+ （1）的方程，叫做一阶线性微分方程，因为它对于未知函数y 及其导数是一次方程．如果0)(≡x Q 则方程（1）称为齐次的；如果)(x Q 不恒等于零，则方程（1）称为非齐次的．当0)(≡x Q 时，（１）可写成0)(=+y x P dxdy（2）方程（2）叫做对应于非齐次线性方程（1）的齐次线性方程．（2）是变量分离方程，变量分离后得dx x P ydy)(-=，两边积分，得⎰+-=1ln )(ln C dx x P y ，由此得)(,1)(C C Ce y dxx P ±=⎰=- （３）式（３）是所求的齐次线性方程（2）的通解．这里C 是任意常数．下面我们来讨论求非齐次线性方程（1）的通解的方法．不难看出，（2）是（3）的特殊情形，两者既有联系又有差异．因此可以设想它们的解也应该有一定的联系．我们试图利用方程（2）的通解（3）的形式去求出方程（1）的通解．显然，如果（3）中C 恒保持常数，它必不可能是（1）的解．我们设想：在（2）中，将常数C 换成x 的待定函数)(x u ，使它满足方程（１），从而求出)(x u ．该方法称为常数变易法．为此，令⎰=-dx x P ue y )( ，（４）于是 ⎰-⎰'=--dx x P dx x P e x uP e u dxdy)()()(．（５）将（４）和（５）代入方程（1）得230)()()()()()(x Q ue x P e x uP e u dx x P dx x P dx x P =⎰+⎰-⎰'---，即 )()(x Q e u dx x P =⎰'-，⎰='dxx P e x Q u )()(．两边积分，得 ⎰+⎰=C dx e x Q u dxx P )()(．把上式代入（４），便得非齐次线性方程（1）的通解⎪⎭⎫⎝⎛+⎰⎰=⎰-C dx e x Q e y dxx P dx x P )()()(．（６）将（６）式改写成两项之和⎰⎰⎰+⎰=--dx e x Q e Ce y dx x P dx x P dx x P )()()()(．上式右端第一项是对应的齐次线性方程（2）的通解，第二项是非齐次线性方程（1）的一个特解．由此可知，一阶非齐次线性方程通解等于对应的齐次方程的通解与非齐次方程的一个特解之和．例 1 求方程25)1(12+=+-x x y dx dy 的通解．解这是一个一阶非齐次线性方程．先求对应的齐次方程的通解．012=+-y x dx dy ，变量分离，得12+=x dxy dy ，两边积分，得 1ln 1ln 2ln C x y ++=，即 2)1(+=x C y （1C C ±=）．用常数变易法，把()x u C 换成，即令2)1(+=x u y ，（7）那么 )1(2)1(2+++'=x u x u dxdy，代入所给非齐次方程，得21)1(+='x u ．两边积分，得 C x u ++=231(32）．在把上式代入（７）式，即得所求方程的通解为⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=C x x y 232)1(32)1(．231例2 求方程1)1()1(++=-+n x x e ny dxdyx 的通解，这里n 为常数．解：将方程改写为 n x x e y x ndx dy )1(1+=+-，（8）首先，求齐线性方程 01=+-y x ndx dy 的通解，从dx x n y dy 1+=得到齐线性方程的通解为 n x C y )1(+=．其次，应用常数变易法求非齐线性方程的通解．为此，在上式中把C 看成为x 的待定函数)(x u ，即n x x u y )1)((+=，（9）微分之，得到)()1()1()(1x u n n x dxx du dx dy n n -+++=．（10）以（9）及（10）代入（8），得到x e dx x du =)(，积分之，求得 C e x u x ~)(+=，因此，以所求的)(x C 代入（9），即得原方程的通解)~()1(C e x y x n ++=．这里C ~是任意常数二、伯努利方程形如n y x Q y x P dxdy)()(=+ )1,0(≠n （11）的方程叫做伯努利方程．当0=n 或1=n 时，这是线性微分方程．当1,0≠≠n n 时，这方程不是线性的，但是通过变量的代换，便可把它化为线性的．事实上，以n y 除方程（10）的两边，得)()(1x Q y x P dxdyyn n=+--．（12）容易看出，上式左端第一项与)(1ny dxd -只差一个常数因子n -1，因此，我们令 n y z -=1，那么dxdy y n dx dz n --=)1(．用)1(n -乘方程（12）的两端，再通过上述变换便得线性方程)()1()()1(x Q n z x P n dxdz-=-+．232求出这方程的通解后，以z y n 代-1，便可得到伯努利方程（11）的通解．此外，当0>n 时，方程还有解0=y ．例3 求方程2)(ln y x a xydx dy =+，的通解．解以2y 除方程的两边，得x a y xdx dy y ln 112=+--．即 x a y xdx y d ln 1)(11=+---．令1-=y z ，则上述方程成为x a z xdx dz ln 1-=-，这是一个线性方程，它的通解为⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=2)(ln 2x a C x z ．以1-y 代z ，故得所求方程的通解为1)(ln 22=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-x a C yx ．此外，方程还有解0=y ．在上节中，对于齐次方程⎪⎭⎫⎝⎛='x y y ϕ，我们通过变量变换xu y =，把它化为变量可分离的方程，然后分离变量，经积分求得通解．在本节中，对于一阶非齐次线性方程)()(x Q y x P y =+'，我们通过解对应的齐次线性方程找到变量变换⎰=-dxx P ue y )(，利用这一代换，把非齐次线性方程化为变量可分离的方程，然后经积分求得通解．对于伯努利方程n y x Q y x P y )()(=+'，我们通过变量变换z yn=-1，把它化为线性方程，然后按线性方程的解法求得通解，可见，以上方程都是通过变量变换化为可求解方程来求解的，该方法适合很多特殊方程求解．233第五节可降阶的高阶微分方程从这一节起，我们讨论二阶及二阶以上的微分方程，即所谓的高阶微分方程，对于有些高阶微分方程，我们可以通过变量变换将它化成较低阶的方程来求解．下面以二阶微分方程为例来介绍：二阶微分方程的一般形式为0),,,(='''y y y x F或者),,(y y x f y '=''一般来说，二阶微分方程要比一阶微分方程的求解复杂一些．但是对于某些二阶微分方程来说，如果我们能设法作变量代换把它从二阶降至一阶，那么就有可能应用前面几节中所讲的方法来求出它的解了．下面介绍三种容易降阶的二阶微分方程的求解方法．一、()x f y =''型的微分方程形如)(x f y ='' （１）的方程，右端仅含有自变量x ．两端同时积分一次，就化为一阶方程1)(C dx x f y +='⎰再积分一次，得到通解21])([C dx C dx x f y ++=⎰⎰一般地对())(x f y n =求解，只需对方程两端积分n 次．例1 求解方程x e x y -+=''2s i n ．解对所给的方程连续积分两次，得12cos 21C e x y x +--='-， 212sin 41C x C e x y x +++-=-所求的通解为212s i n 41C x C e x y x +++-=-．例2 求微分方程x ey xc o s 2-='''．的通解．解对所给方程连续积分三次，得C x e y x+-=''sin 212， 22cos 41C Cx x e y x+++='，23432212sin 81C x C x C x e y x ++++= ⎪⎭⎫ ⎝⎛=21C C ．所求的通解为32212sin 81C x C x C x e y x ++++=．二、),(y x f y '=''型的微分方程形如),(y x f y '='' （２）的方程，右端不显含未知函数y ．这时，只要令,p y ='那么p dxdpy '=='' 而方程（２）就化为),(p x f p ='．这是一个关于变量p x 、的一阶微分方程，再按一阶方程求解．设其通解为),(1C x p ϕ=．但是dxdyp =，因此又得到一个一阶微分方程 ),(1C x dxdyϕ=．对它进行积分，便得方程（２）的通解为⎰+=21),(C dx C x y ϕ．例3 求微分方程y x y x '=''+2)1(2，满足初始条件,10==x y 30='=x y的特解．解所给方程是),(y x f y '=''型的．令,p y ='代入方程并分离变量后，有dx x x p dp 212+=．两边积分，得C x p ++=)1ln(ln 2,235即 )1(21x C y p +='=． ()C e C ±=1 由条件30='=x y ，得31=C ，所以 )1(32x y +='．两边再积分得 233C x x y ++=．又由条件,10==x y 得12=C ，于是所求的特解为133++=x x y ．三、),(y y f y '=''型的微分方程形如),(y y f y '='' (３)的方程，其中不明显地含自变量x ．这时，只要令p y ='，并利用复合函数的求导法则把y ''化为对y 的导数，即dydppdx dy dy dp dx dp y =⋅=='' 这样方程(３)就成为),(p y f dydpp=．这是一个关于变量p y ,的一阶微分方程，再按一阶微分方程求解．设它的通解为 ),(1C y p y ϕ=='，分离变量并积分，便得方程（３）的通解为⎰+=21),(C x C y dyϕ．例4 求微分方程02='-''y y y的通解．解所给方程是),(y y f y '=''型的．令 p y ='，则236dydp p y =''，代入原方程，得02=-p dydpyp．在0≠y 、0≠p 时，约去p 并分离变量，得ydyp dp =．两边积分，得C y p +=ln ln ，即 y C p 1=，或y C y 1'= )(1C e C ±=．再分离变量并两端积分，便得所求方程的通解为2'1ln C x C y +=，或ｘＣ１e C y 2= )２＇＝（２C e C ±．第六节二阶线性微分方程一、二阶常系数齐次线性微分方程二阶齐次线性微分方程的形式为0)()(=+'+''y x Q y x P y ．（1）如果)()(x Q x P y y 、的系数、'均为常数，则（1）式为0=+'+''qy y p y ，（2）其中q p 、是常数，则称（2）为二阶常系数齐次线性微分方程．如果q p 、不全为常数，称（1）为二阶变系数齐次线性微分方程．下面我们主要研究二阶常系数齐次线性微分方程的解法．关于方程（２），我们不加证明地给出二阶常系数齐次线性微分方程的有关定理：定理1 （解的叠加定理）如果21y y 、是方程（２）的两个解，那么2211y C y C y +=也是（2）的解，其中21,C C 是任意常数．237定理2 如果21y y 、是方程（２）的两个不成比例的特解（即常数≡/21y y ），则2211y C y C y +=就是方程（２）的通解，其中21,C C 是任意常数．在这里我们之所以要求21,y y 不成比例，是因为如果有21Cy y =，那么就可推出()2212211y C C C y C y C y +=+=，即通解2211y C y C y +=中的两个任意常数变成一个．根据定理2，要求（２）的通解，只要设法先求出它的两个解21,y y ，且常数≡/21y y ，则2211y C y C y +=就是方程（２）的通解．仔细观察方程（2）可知，它的解应该具有各阶导数都只相差一个常数因子的性质，因此我们推测方程（2）的解是指数函数．取rx e y =（r 为常数），选取适当的r ，使它满足方程（２），则rx e y =就是方程（2）的解．将rx e y =代入方程（2），得到0)(2=++rx e q pr r ．由于0≠rxe，所以02=++q pr r ．（3）由此可见，只要r 满足代数方程（3），函数rx e y =就是微分方程（2）的解．我们把代数方程（3）叫做微分方程（2）的特征方程．特征方程（3）是一个二次代数方程，其中r r 、2的系数及常数项恰好依次是微分方程（2）中y y '''、及y 的系数．特征方程（3）的两个根21r r 、可以用公式2422,1qp p r -±-=求出．它们有三种不同的形式：（i ）当042>-q p 时，21,r r 是两个不相等的实根：2421q p p r -+-=，2422q p p r ---=（ii ）当042=-q p 时，21,r r 是两个相等的实根：221pr r -==238（iii ）当042<-q p 时，21,r r 是一对共轭复根：,1βαi r += ,2βαi r -=其中 ,2p-=α 242p q -=β．相应地，微分方程（2）的通解也就有三种不同的情形．分别讨论如下：（ⅰ）特征方程有两个不相等的实根：21r r ≠．微分方程（2）有两个解x r x r e y e y 2121==、，并且12y y 不是常数，因此微分方程（2）的通解为 x r x r e C e C y 2121+=．（ⅱ）特征方程有两个相等的实根：21r r =．这时，微分方程（2）有一个解.11x r e y =下面求出微分方程（2）的另一个解2y ，并且要求12y y 不是常数．设)(12x u y y =，)(12x u e y x r =即，代入微分方程（2），可得 0)(=''x u因为这里只要得到一个不为常数的解，所以不妨选取x u =，由此得到微分方程（2）的另一个解.21x r xe y =从而微分方程（2）的通解为x r x r xe C e C y 1121+=即 ()xr e x C C y 121+=（ⅲ）特征方程有一对共轭复根：)0(,21≠-=+=ββαβαi r i r ．这时，微分方程（2）有两个解()()x i xi e y ey βαβα-+==21, ，并且12y y 不是常数．但它们是复值函数形式．为了得出实值函数形式，我们先利用欧拉公式θθθsin cos i ei +=，21,y y 把改写为()),sin (cos 1x i x e e e e y x x i x x i ββαβαβα+=⋅==+ ())sin (cos 2x i x e e e e y x x i x x i ββαβαβα-=⋅==--．239由于复值函数21y y 与之间成共轭关系，因此，取它们的和除以2就得到它们的实部；取它们的差除以2i 就得到它们的虚部．根据方程（2）有关解的定理，所以实值函数,cos )(21211x e y y y x βα=+=x e y y i y x βαsin )(21212=-=还是微分方程（2）的解，且x xe xe y y x x βββααcot sin cos 21==不是常数，所以微分方程（2）的通解为)sin cos (21x C x C e y x ββα+=．综上所述，求二阶常系数齐次线性微分方程0=+'+''qy y p y ，的通解的步骤如下：第一步写出微分方程（2）的特征方程02=++q pr r ．第二步求出特征方程（3）的两个根21,r r ．第三步根据特征方程（3）的两个根的不同情形，按照下列表格写出微分方程（2）的通解：例1 求微分方程032=-'-''y y y 的通解．解所给微分方程的特征方程为0322=--r r ，其根3,121=-=r r 是两个不相等的实根，因此所求通解为x x e C e C y 321+=-．例2 求方程0222=++s dt dsdts d 满足初始条件2400-='===t t s s 、的特解．解所给微分方程的特征方程为2400122=++r r ，其根121-==r r 是两个相等的实根，因此所求微分方程的通解为t e t C C s -+=)(21，将初始条件2400-='===t t s s、代入通解，得41=C ，22=C于是所求特解为t e t s -+=)24(．例３求微分方程052=+'-''y y y 的通解．解所给方程的特征方程为,0522=+-r r其根i r 212,1±=为一对共轭复根．因此所求通解为)2sin 2cos (21x C x C e y x +=．二、二阶常系数非齐次线性微分方程二阶常系数非齐次线性微分方程的一般形式是),(x f qy y p y =+'+'' （4）其中q p 、是常数，0)(≠x f ．当0)(=x f 时，（4）可写为0=+'+''qy y p y ．（5）叫作方程（4）对应的二阶常系数齐次线性微分方程．关于方程（4）的通解，我们不加证明地给出如下定理：定理3 如果*y 是方程（4）的一个特解，Y 是方程（4）对应的齐次方程（5）的通解，则方程（4）的通解为*+=y Y y ．由上述定理3可知，求二阶常系数非齐次线性微分方程（4）的通解，归结为求对应的齐次线性方程（5）的通解和非齐次方程（4）本身的一个特解．由于二阶常系数齐次线性微分方程的通解的求法已得到解决，所以这里只需讨论求二阶常系数非齐次线性微分方程的一个特解*y 的方法．本节介绍当方程（4）中的()x f 取两种常见形式时求*y 的方法．这种方法的特点是不用积分就可以求出*y 来，这种方法叫做待定系数法．)(x f 的两种形式是241（1）x m e x P x f λ)()(=，其中λ是常数，)(x P m 是x 的一个m 次多项式：m m m m m a x a x a x a x P ++⋅⋅⋅++=--1110)(．（2）]sin )(cos )([)(x x P x x P e x f n l x ωωλ+=，其中ωλ、是常数，)()(x P x P n l 、分别是x 的l 次、n 次多项式，其中有一个可为零．下面分别介绍)(x f 为上述两种形式时*y 的求法．1．)()(x P e x f m x λ=型我们知道，方程（4）的特解*y 是使（4）成为恒等式的函数．怎样的函数能使（4）成为恒等式呢？因为（4）式右端)(x f 是多项式)(x P m 与指数函数x e λ的乘积，而多项式与指数函数乘积的导数仍然是同一类型，因此，我们推测x e x Q y λ)(=*(其中)(x Q 是某个多项式)可能是方程（4）的特解．把"'***y y y 及、代入方程（4），然后考虑能否选取适当的多项式)(x Q ，使x e x Q y λ)(=*满足方程（4）．为此将,)(x e x Q y λ=*[])()(x Q x Q e yx '+='*λλ， [])()(2)(2x Q x Q x Q e yx ''+'+="*λλλ 代入方程（4）并消去x e λ，得 )()()()()2()(2x P x Q q p x Q p x Q m =+++'++''λλλ．（6）推导可知如下结论：如果x m e x P x f λ)()(=，则二阶常系数非齐次线性微分方程（4）具有形如x m k e x Q x y λ)(=* （7）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10、或2．上述结论可推广到n 阶常系数非齐次线性微分方程，但要注意（7）式中的k 是特征方程含根λ的重复次数（即若λ不是特征方程的根，k 取为0；若λ是特征方程的s 重根，k 取为s ）．例1 求微分方程1332+=-'-''x y y y 的一个特解．解这是二阶常系数非齐次线性微分方程，且函数)(x f 是x m e x P λ)(型（其中0,13)(=+=λx x P m ）．与所给原方程对应的齐次线性微分方程为032=-'-''y y y ,242它的特征方程为0322=--r r ．有两个实根3,121=-=r r ，由于这里0=λ不是特征方程的根，所以应设特解为10b x b y +=*．把它代入原方程，得13323100+=---x b b x b ,比较两端x 同次幂的系数，得⎩⎨⎧=--=-13233100b b b 由此求得31,110=-=b b ．于是求得一个特解为 31+-=*x y ．例2 求微分方程x xe y y y 265=+'-''的通解．解所给方程也是二阶常系数非齐次线性微分方程，且型是x m e x P x f λ)()(（其中）2,)(==λx x P m ．与所给原方程对应的齐次线性微分方程为065=+'-''y y y ，它的特征方程为0652=+-r r ，有两个实根3,221==r r ，于是与所给方程对应的齐次方程的通解为x x e C e C Y 3221+=．由于2=λ是特征方程的单根，所以应设*y 为x e b x b x y 210)(+=*，把它代入所给原方程，得x b b x b =-+-10022，比较等式两端同次幂的系数，得⎩⎨⎧=-=-0212100b b b ，解得1,2110-=-=b b ．因此求得一个特解为243x e x x y 2)121(--=*．从而所求的通解为 x x x e x x e C e C y 223221)2(21+-+=． 2．[]x x P x x P e x f n l x ωωλsin )(cos )()(+=型应用欧拉公式和方程（4）有关解的定理，不加证明地可得如下结论：如果[]x x P x x P e x f n l x ωωλsin )(cos )()(+=，则二阶常系数非齐次线性微分方程（4）的特解可设为]s i n c o s )([)2()1(x R x x R e x y m m x k ωωλ+=* （8）其中)(),()2()1(x R x R m m 是m 次多项式，},max{n l m =，而ωλi k +按（或ωλi -）不是特征方程的根、或是特征方程的单根依次取为10或．上述结论可推广到n 阶常系数非齐次线性微分方程，但要注意（8）式中的k 是特征方程中含根ωλi +（或ωλi -）的重复次数．例3 求微分方程x x y y 2cos =+''的一个特解．解所给方程是二阶常系数非齐次线性微分方程，且属于[]x x P x x P e x f n l x ωωλsin )(cos )()(+=型（其中0)(,)(,2,0====x P x x P n l ωλ）．与所给方程对应的齐次方程为0=+''y y ，它的特征方程为012=+r ，有两个复根i r i r -==21,，由于这里i i 2=+ωλ不是特征方程的根，所以应设特解为x d cx x b ax y 2sin )(2cos )(+++=*．把它代入所给方程，得x x x a d cx x c b ax 2cos 2sin )433(2cos )433=++-+--（．比较两端同类项的系数，得⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=--=-=+-=-0430304313a d c c b a ，由此解得 94,0,0,31===-=d c b a ．于是求得原方程的一个特解为244 x x x y 2sin 942cos 31+-=*．以上我们主要介绍了二阶线性微分方程的解法，该方法可以推广到高阶线性微分方程．。

微分方程的应用举例

1 kt C ， az
C1， a
z a2kt ． akt 1
微分方程的应用举例
例 4 某湖泊的水量为V ，每年排入湖泊内的含污染物 A 的污水量为 V ，流出湖泊的 6
污水量为 V 3
．已知
2017
年底湖中
A 的含量为 5m0
，超出了国家规定指标．为了治理污染，
从 2018 年初起，限定排入湖中含 A 的污水浓度不超过 m0 ，问至多需多少年，湖中污染 V
高等数学
微分方程的应用举例
例 1 设曲线经过点 (1，1) ，且其上任一点 P 的切线在 y 轴的截距是切点纵坐标的 3 倍，求此曲线方程．
解设所求曲线方程为 y y(x) ，P(x ，y) 为其上任一点，则过点 P 的切线方程为
Y y y(X x) ，
其中 (X ，Y) 是切线上的动点， (x ，y) 是曲线上任意固定的点．
物 A 的含量降至 m0 以内？（注：设湖中 A 的浓度是均匀的．）
流出湖中 A 的量为因此，在[t ，t dt] 内污染物 A 的改变量为用分离变量法解此微分方程得
m V dt m dt ， V3 3
dm
m0 6
m 3
dt
，
m
m0
Ce
t 3
，
2
微分方程的应用举例
例 4 某湖泊的水量为V ，每年排入湖泊内的含污染物 A 的污水量为 V ，流出湖泊的 6
令 X 0 ，则切线在 y 轴上的截距为
Y y yx ，
且由题设知
y yx 3y ，
yx 2y ，
即
x dy 2y ．
dx
微分方程的应用举例
例 1 设曲线经过点 (1，1) ，且其上任一点 P 的切线在 y 轴的截距是切点纵坐标的 3 倍，求此曲线方程．

微分方程应用举例

即 dx 2x 6 ， dt 100t
通解为
x
e
2 100t
dt
[
6
e
2 100t
dt
dt
C
]
1 (100
t
)2
[2(100
t
)3
C
]
2(100
t
)
C (100
t
)2
.
把初始条件 x t0 50 代入通解，
得
50
2100
C 1002
，C 1002150
，
从而
x
2(100 t
)
1500000 (100 t )2
1 z2 z C1 ， 1 x
代入初始条件 y(0)0 ，得C11 ，
从而 1 z2 z 1 ，即 1 x
1 y2 y 1 ，
①
1 x
亦即 1 y2 y 1 x ，
②
①- ②得 y 1 1 1 x ，
2 1 x 2
3
再积分得 y
1
x
1(1 3
x)2
C2
，
代入初始条件
y(0)0
，得C2
2 3
，
x t30 26015103000200171( g) 。
即 30 min后容器内含盐 171g。
3．我缉私艇雷达发现，正东 1 海里处一艘走私船正以常速 v向北方向逃窜，缉私艇立即以 2v 的速度追赶，借助于雷达，缉私艇航行的方向始终对准走私船。试求缉私艇的航行曲线方程，并问走私船航行多远时被我缉私艇追上。
解：如图建立坐标系。设缉私艇的航行曲线方程为y f ( x) ，
在时刻 t 缉私艇位于 P( x, y), y

微分方程应用举例

应用数学
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应用数学
有的时候用拉氏变换求解常系数线性微分方程比较方便
下面通过举例说明用拉氏变换求解常系数线性微分方程的方法步骤．
应用数学
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例1（冷却问题）物体在空气中的冷却速度与物体和空气的温度（冷却问题）之差成正比，已知空气温度为20℃ 如果物体在20分钟内由分钟内由100℃ 之差成正比，已知空气温度为 ℃，如果物体在分钟内由 ℃ 降至60℃ 问要使物体温度降至30℃ 需用多长时间？降至 ℃，问要使物体温度降至 ℃，需用多长时间？
应用数学
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其中含盐50（），现将浓例2（流体混合问题）一容器盛盐水（流体混合问题）一容器盛盐水100（升），其中含盐（克），现将浓（），其中含盐度为2（升的盐水以3（分钟的速度注入容器内，分钟）度为（克/升）的盐水以（升/分钟）的速度注入容器内，假设流入的盐水与原有的盐水因搅拌而迅速成为均匀的混合物，同时此混合物有以2（分钟分钟）原有的盐水因搅拌而迅速成为均匀的混合物，同时此混合物有以（升/分钟）的速度流出，试求60分钟后容器中盐的含量分钟后容器中盐的含量. 的速度流出，试求分钟后容器中盐的含量
应用数学
微分方程应用举例
应用数学
微分方程在科学技术和实际生活中都有着广泛的应用，用微分方程解决实际问题的一般步骤为： 1.分析问题，设出未知函数，建立微分方程，并确定初始条件； 2.求出微分方程的通解； 3.利用初始条件，求出微分方程的特解.再根据特解解决一些相关的问题.
应用数学
下面通过一些具体例子介绍微分方程的实际应用问题的解法.