常微分方程第一章第二节
常微分方程----第一章-绪论PPT课件
2u x2
2u y2
2u z2
0
注：我们不特别声明，就称常微分方程为微分方程或方程。
方程的阶数：一个微分方程中，未知函数最高阶导 数的阶数，称为方程的阶数。
目录 上页 下页 返回 结束
一般的n阶微分方程的形式为：
F(x,y.ddyx,L,ddxnny）＝0
其中：F(x,y.ddyx,L,ddxnny）＝0是变量
目录 上页 下页 返回 结束
在实际工作中，常常出现一些特点和以上方程 完全不同的问题。比如：某个物体在重力作用下 自由下落，要寻求下落距离随时间变化的规律； 火箭在发动机推动下在空间飞行，要寻求它飞行 的轨道等，研究这些问题所建立的数学方程不仅 与未知函数有关，而且与未知函数的导数有关， 这就是我们要研究的微分方程。
目录 上页 下页 返回 结束
n 阶方程的通解：把含有 n 个相互独立的任意常数
c1，c2，L ，c n 的解 y＝ （ x1 ， c1 ， L， cn）
称为n 阶方程的通解。
若存在 (x,c1,,cn) 的一个邻域，使得
,
, ,
c1
c2
cn
, c1
, c2
,
cn 0
(n1) ,
(n1) ,
,
(n1)
c1
c2
cn
则称 y(x,c1,,cn) 含有n个相互独立的常数。
目录 上页 下页 返回 结束
例：yc1cox sc2sixn是 yy0的通解。 因为 y c1sixn c2co x而s
cosx sinx 10
sinx cosx
特解：在通解中确立了一组任意常数后所得的解称 为特解。
x,
y,
,
常微分方程
(3). 对于非全微分方程,有时可以找到函数 (x, y) , 使得
(x, y)P(x, y)dx (x, y)Q(x, y)dy 0 积分因子
(4). 观察法往往很实用.
全微分方程
例: ( y2 x)dx 2y(x y)dy 0
解法一:
因为
P 2 y Q
y
x
全微分方程
取 x0 0, y0 0,
d (xy) x2 y2 ( dx dy ) 0 xy
1 则 x2 y2 是积分因子,
d(xy) dx dy x2y2 x y 0
1 ln | x | C. xy y
注意:其他类型的微分方程往往可以化成上述类型
例:
y
1
x cos y sin 2y
视 x 为 y 函数,可化成线性方程
u x du u2 dx u 1
(1 1)du 1 dx
u
x
u y x
y
y Ce x
*可化为齐次方程的方程
方程
dy dx
ax by c a1x b1 y c1
，c
0或c1
0
解法：若
ab 0
a1 b1
则先令
ax by c 0, a1x b1 y c1 0,
求出解 x0 , y0 , 再作变量代换
ex
x3.
2.设f (t)在[0,)上连续且满足
f (t) e4t2
f (1 x2 y2 )dxdy,求f (t)
x2 y2 4t2
2
f (t) e4t2
2
d
2t f ( 1 r)rdr＝e4t2 2
2t f ( 1 r)rdr，
0
02
常微分方程讲解
常微分方程讲解常微分方程第一章绪论在初等数学中，我们已经学过一些代数方程（如元个一次联立方程），并且用它们解决了一些有趣的应用问题，使我们初步体会到方程论（主要是设未知量、列方程和求解方程的方法）对于解决实际问题的重要性。
在解析几何与微积分中，我们又碰到一类不同的方程——方程的个数少于未知量的个数，也就是通常所说的函数方程。
例如，1） (设是自变量，则是未知函数)；2），（设是自变量，则和是两个未知函数）。
这类函数方程与开头所说的代数方程相比，在概念上进了一步——确定自变量与因变量之间的函数关系。
利用这类方程可以解决一类新的问题，例如某些轨迹问题和极值问题等。
本课程所要讲述的方程与刚才说的那种函数方程又不一样，它们除了自变量和未知函数外，还包含了未知函数的导数(即微商)。
例如:1）（是自变量，是未知函数，是未知函数对的导数。
）2）（是自变量，是未知函数，是未知函数对的导数等等）。
这种联系着自变量、未知函数以及未知函数的导数（或微分）的关系式,数学上称之为微分方程。
其中未知函数的导数或微分是不可缺少的。
下面我们通过几个具体的例子，粗略地介绍常微分方程的一些物理背景和方程的建立问题，并讲述一些最基本的概念。
第一节微分方程：某些物理过程的数学模型在这一节中列举几个简单的实际例子，说明怎样从实际问题列成微分方程的问题。
例子虽然简单，但是从中能够简明地诱导出微分方程的一些基本概念，成为进一步探讨其他较复杂问题的借鉴。
掌握好这些例子，会有助于增进我们分析问题的能力。
例1 物体冷却过程的数学模型将某物体放置于空气中，在时刻时，测量得它的温度为，10分钟后测得温度为。
我们要求决定此物体的温度和时间的关系，并计算20分钟后物体的温度。
这里我们假定空气的温度保持为。
解为了解决上述问题，需要了解有关热力学的一些基本规律。
例如，热量总是从温度高的物体向温度低的物体传导的；在一定的温度范围内（其中包括了上述问题的温度在内），一个物体的温度变化速度与这一物体的温度和其所在介质温度的差值成比例。
常微分方程及其应用全文
件y x x0
y0
的特解这样一个问题，称为一阶微
分方程的初值问题。
记为
F x, y, y 0
y x x0
y0
例1 验证函数 x C1 cos kt C2 sin kt
是微分方程
d2x dt 2
k2x
0(k
0)
的通解。
例2 求例1中 满足初始条件
x A ，dx t 0
0 的特解。
dt t 0
直到t=T 时， F T 。若0 开始时质点位于原点，且
初速度为0，求这质点的运动规律。
F(t)
F
F0
0
x
Tt
y f x, y
设
y
p
,则 y
dp dx
p
方程可化为 p f x, p
通解为 p x,C1
得到微分方程
dy dx
x, C1
分离变量或者直接积分得到通解
y x,C1 dx C2
判断下列方程是否为微分方程：
x2 xy y2 0 否
x y 0 是
3y c 是
二、微分方程的阶
微分方程中所出现的未知函数的最高阶导 数的阶数。
dy 2x
一阶
dx
x2 y xy 4 y 3x 三阶
y4 2 y 12 y 5y sin 2x 三阶
三、微分方程的一般形式
1、一阶微分方程
y f y, y 设 y p ，则
y dp dp dy p dp dx dy dx dy
原方程化为 又得微分方程 dy
dx
分离变量，得通解
y,C1
dy
y,C1
x
C2
例 求方程 y 3 y 满足 y x0 1 的特解。
教学大纲_常微分方程
《常微分方程》教学大纲课程编号：121013A课程类型：□通识教育必修课□通识教育选修课□专业必修课□专业选修课□√学科基础课总学时：48 讲课学时：32 实验（上机）学时：16学分：3适用对象：数学与应用数学（金融方向）先修课程：微积分、线性代数毕业要求：1.掌握数学、统计及计算机的基本理论和方法2.建立数学、统计等模型解决金融实际问题3.具备国际视野，能够与同行及社会公众进行有效沟通和交流一、课程的教学目标《常微分方程》是本科生二年级的基础课。
常微分方程有着悠久的发展历史和极其丰富的内容，一种基本的数学工具，常微分方程在数学学科与其他学科领域，诸如数值分析、优化理论、微分方程、概率统计、运筹学、控制论、系统工程等学科都有广泛的应用，甚至在经济管理中，常微分方程的理论和方法也起着十分重要的作用。
现代科学技术的发展，特别是计算机技术的发展，为常微分方程的应用开辟了更广阔的前景，因此，学习和(掌握)常微分方程的基本理论和方法，对于学生运用数学方法解决经济问题具有极大帮助。
二、教学基本要求本课程系统介绍求解各类微分方程的方法、常微分方程的基本理论与方法等；采用“少而精”的原则，通过循序渐进的方法，使学生对常微分方程的基本理论与方法具有较为系统的概略认识；贯彻理论与实际相结合的原则，培养学生分析问题和解决问题的能力。
本课程以教师讲授为主，辅以课堂讨论，课后学生自主学习、推荐参考教材及参考书目。
重视师生的互动，做到课上课下有交流，注意培养学生的自主性学习能力和创造性思维。
课程讲授一学期，周课时为3学时，共51学时。
期末考试采用闭卷形式。
平时成绩（包括作业和课堂讨论、答问情况）、出勤率占总评成绩的百分之二十；期末考试成绩占总评成绩的百分之八十。
三、各教学环节学时分配以表格方式表现各章节的学时分配，表格如下：教学课时分配四、教学内容第一章绪论微分方程与解 (1) 微分方程、阶、解。
(掌握)(2) 隐式解、通解与特解。
1_1基本概念 常微分简明教程
3. y Ce , y 2 y y 0, (C是任意常数)
x
4. y x 1, y y ( x 1) y 2 x;
2 2 2
通解 —与方程的阶数相同个数的独立的任意常数联系 起来的解族 特解 — 满足特定条件的个解
例如
y 2 y 的通解为 y Ce ,
2x
y y 0 的通解为 y C1 cos x C2 sin x
gt C1t C2 ,
2
d y dt
2
2
g 的通解为 y
2
1 2
例如
( x) x 10 是方程
( x) e
x
y
y x 10
的一解
是方程
y y 的一解
1 ( x) sin x, 2 ( x) cos x 是方程 y y
深入观察
的解
( x) C ( x 10) 是方程 y
( x) Ce 是方程
2
( x 1) y xy y 0
d y dx
2
2
k y A sin x
2
例. 已知曲线上点 P(x, y) 处的法线与 x 轴交点为 Q 且线段 PQ 被 y 轴平分, 则y(x)求所满足的方程就是一个微分方程 . 解: 如图所示, 点 P(x, y) 处的法线方程为
x
y x 10
的解
y y 的解
1 ( x) C1 sin x, 2 ( x) C2 cos x, ( x) C1 sin x C2 cos x
均是方程 y y 的解 ，其中C，C1，C2 表示任意常数
机动
第一章_常微分方程
作业
1. 求方程y2y3y=0的通解。
2. 求方程y2yy0满足初始条件y|x04、 y| x02的特解。
3. 求方程y2y5y 0的通解。
1.2 常系数非齐次线性微分方程
方程
y+py+qy = f(x) (3) 称为二阶常系数非齐次线性微分方程，其
中p、q均为常数，f (x)为非齐次项
一、常数变易法
将方程(3)的特解记为 y(x) c1(x) y1(x) c2(x) y2 (x)
其中y1(x)和 y2 (x)为对应齐次方程的一对线性无关 解。将上述特解带入方程(3)可求解 c1(x)和c2 (x)。
由于 y c1y1 c2 y2 c1 y1 c2 y2 ，若令
c1 y1 c2 y2 0 则 y c1 y1 c2 y2 ，
齐次方程，有
2a1 3a0 3a1x 3x 1 由同幂次系数相等求解得
a1
1
a0
1 3
则非齐次方程的一个特解为
y* x 1 3
B.特殊情况
➢ 如果方程(3)的非齐次项 f(x)正好是对应齐次 方程的解，即各个非齐次项对应的指数
i 0 i
是原方程对应齐次方程的m重特征根，则方 程(3)的特解在原表达式上乘以xm 。
A.基本解法
【例 1.2.2】 求非齐次方程 y 2 y y 3e2x 的通解。 解：假设方程的一个特解为 y*(x) Ae2x ，代入非齐
次方程，有 4Ae2x 2Ae2x Ae2x 3e2x
求得 A 1。因此，方程的一个特解为 y* (x) e2x
又对应齐次方程的通解为 y(x) (c0 +c1x)ex ，因此 非齐次方程的通解为
是方程(1)的两个线性无关的解，方程的通解为
常微分方程 ppt课件
量，x是未知函数，是未知函数对t导数. 现
在，我们还不会求解方程(1.1)，但是，如果
考虑k=0的情形，即自由落体运动，此时方程
(1.1)可化为
d2x dt 2
g
(1.2)
将上式对t积分两次得
x(mt)xk12xgt2mgc1t c2
(1.3) (1.1)
ppt课件
11
一般说来，微分方程就是联系自变量、 未知函数以及未知函数的某些导数之间的关 系式. 如果其中的未知函数只是一个自变量 的函数，则称为常微分方程；如果未知函数 是两个或两个以上自变量的函数，并且在方 程中出现偏导数，则称为偏微分方程. 本书 所介绍的都是常微分方程，有时就简称微分 方程或方程.
这样，从定义1.1可以直接验证：
F(x, y, y) 0
(1.8)
如果在(1.8)中能将 y 解出，则得到方程
y f (x, y)
(1.9)
或
M (x, y)dx N(x, y)dy 0
(1.10)
(1.8)称为一阶隐式方程,(1.9)称为一阶显式方程，(1.10)称为微 分形式的一阶方程.
ppt课件
14
n 阶隐式方程的一般形式为
常微分方程
ppt课件
1
常微分方程课程简介
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
ppt课件
2
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.
常微分方程
, cn ) 的一个邻域，使得
, c1 ′ , c1 , c2 ′ , c2 , , cn ′ cn ( n 1) cn
≠0
( n 1) ( n 1) , , c1 c2
,
则称 y = ( x, c1 ,
, cn ) 含有n个相互独立的常数。
y 例： = c1 cos x + c2 sin x 是 y′′ + y = 0 的通解。 因为 y′ = c1 sin x + c2 cos x 而
是
在 (∞, +∞)上的解。
2
y = tan(t )
例：xdx +
x = 1+ x
'
在 (
π π
, ) 上的解。 2 2
ydy = 0 有隐式解 x 2 + y 2 = C （ C 为任意常数）。
n 阶方程的通解： 把含有 n 个相互独立的任意常数
c 称为 c1，c 2， ， n 的解 y＝ x1，c1， ，c n） n 阶方程的通解。 （
耦合摆的动态演示
摆长减小的单摆
我们只研究这样一个方程:
θ( t ) 2 2 t 10 θ ( t ) + 2 θ( t ) =0 t 10 t 10 t
用Maple7编写的单摆模型的动态示意图
1.1.2 微分方程的基本概念
凡含有自变量、未知函数以及未知函数的导数（或微分）的方程称为 微分方程。例如：
用maple 7解双摆的运动微分方程
2 2 θ1 ( t ) = 10 θ2 ( t ) 20 θ1 ( t ) t
2
2 2 θ2 ( t ) = 20 θ1 ( t ) 20 θ2 ( t ) t
《常微分方程》课程教学大纲
《常微分方程》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程教学目标常微分方程是信息与计算科学专业的基础课程之一。
通过该课程的学习，使学生掌握建立常微分方程模型的基本过程和方法，正确理解常微分方程的基本概念，掌握基本理论和主要方法，获得比较熟练的基本运算技能，对常微分方程的定性理论有初步的理解，培养学生计算能力、逻辑推理能力、空间想象能力及理论联系实际去分析问题、解决问题的能力，为学生学习后继课程打下基础。
1．学好基础知识。
理解和掌握课程中的基本概念和基本理论，知道它的思想方法、意义和用途，以及它与其它概念、规律之间的联系。
2．掌握基本技能。
能够根据法则、公式正确地进行运算。
能够根据问题的情景，寻求和设计合理简捷的运算途径。
3．培养思维能力。
能够对研究的对象进行观察、比较、抽象和概括。
能运用课程中的概念、定理及性质进行合乎逻辑的推理。
能对计算结果进行合乎实际的分析、归纳和类比。
4．提高解决实际问题的能力。
对于简单应用问题会列出定解问题求解,能够将本课程与相关课程有机地联系起来，提出并解决相关学科中与本课程有关的问题。
能够自觉地用所学知识去观察生活，建立简单的数学模型，提出和解决生活中有关的数学问题。
三、教学学时分配《常微分方程》课程理论教学学时分配表＊理论学时包括讨论、习题课等学时。
四、教学内容和教学要求第一章绪论（4学时）（一）教学要求1．了解微分方程的背景即某些物理过程的数学模型；2. 掌握由简单的物理、几何等问题建立简单微分方程；3. 理解微分方程的基本概念；4. 掌握如何由通解求特解。
（二）教学重点与难点教学重点：微分方程的基本概念；教学难点：建立微分方程模型的思想、方法和例子。
（三）教学内容 第一节 常微分方程模型第二节 基本概念和常微分方程的发展历史1．常微分方程基本概念本章习题要点：微分方程基本概念题；建立微分方程的题。
第二章 一阶微分方程的初等解法（14学时）（一）教学要求1. 掌握变量可分离方程、一阶线性方程以及恰当微分方程的求解方法； 2．掌握齐次方程、Bernoulli 方程的求解； 3. 掌握用变量代换的方法求解微分方程；4. 掌握从积分因子满足的充分必要条件导出某些特殊形式积分因子存在的条件及计算公式,并用于解相应的微分方程；5. 掌握已解出y 或x 的微分方程)',(),',(y y f x y x f y ==的计算方法；6. 了解微分方程0)',(,0)',(==y y F y x F 的求解；7. 掌握一阶微分方程的应用方法,能建立一些简单的模型进行简单分析。
常微分方程第一章
常微分⽅程第⼀章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 )(22t f cy dt dy b dt y d =++, 0)(2=++y dtdyt 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 0222222=??+??+??zTy 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，)(22t f cy dt dyb dty d =++ 是⼆阶常微分⽅程； 0222222=??+??+??zTy 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 yF 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 ydt dt的⼀次有理式，则称(,,,...,)0n n dy d yF 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 dyb dt y d =++是⼆阶线性微分⽅程；⽅程0sin 22=+φφl gdtd 是⼆阶⾮线性微分⽅程；⽅程0)(2=++y dtdy 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 ?=代⼊⽅程(,,,...,)0n n dy d yF t y dt dt=后，能使它变为恒等式，则称函数()y t ?=为⽅程的解. 如果关系式,0t yΦ=（）决定的隐函数()y t ?=是⽅程的解，则称,0t yΦ=（）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 ?=称为n 阶⽅程(,,,...,)0n n dy d yF t y dt dt =的通解. 其中解对常数的独⽴性是指，对?及其 1n -阶导数11,...,n n d d dt dt--关于n 个常数 n c c c ,...,,21的雅可⽐⾏列式不为0, 即 1212(1)(1)(1)120n n n n n nc c c c c c c c c ?---??????'''??????≠??????L L M M L M L.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 yF 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()()dyf t y dt=的⽅程为变量分离⽅程，其中(),()f t y ?分别为,t y 的连续函数.⽅程解法如下：若()0y ?≠，则()()()()dyf t dt y dyf t dt cy ??==+??上式确定⽅程的隐式通解. 如果存在0y ，使得()00y ?=，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 yg 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 dut u dt dt=+，从⽽原⽅程变为()du t u g u dt +=，整理有()du g u udt t-=，此为变量分离⽅程，可求解. (2) 形如111222a tb yc dy dt a t b y c ++=++的⽅程, 其中121212,,,,a a b b c c , 为常数. ●111222a b c k a b c ===的情形. 此时⽅程化为,dyk dt=可解得y kt c =+. ●11220,a b a b =即1122a bk a b ==的情形: 令 22,u a t b y =+ 则有 122222ku c du dya b a b dt dt u c +=+=++ 此为变量分离⽅程. ●11220a 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 11122200a t b y c a t b y c ++=??++=?的解为t y αβ=??=?. 令 T t Y y αβ=-??=-?, 则⽅程组化为112200a T bY a T b Y +=??+=?. 原⽅程化为12()a T bY dY Yg 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：()()()0dya tb t yc t dt++=，若()0a t ≠，则可写成()()dyP t y Q t dt=+的形式. (2) ⼀阶齐次线性微分⽅程：()dyP 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：()()dyP 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()dyay Q t dt=+, a 为常数. 对应齐次⽅程的通解为atce , 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()BtQ t Ae =, ,A B 为给定常数, 且B a ≠时可设待定特解为BtCe , ⽽当B a =时, 可设特解形式为BtCte , 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 --++++L , 其中01,,n a a a L 为给定常数且00a ≠, 这时可设待定特解为1011n n n n b t b t b t b --++++L 代⼊⽅程可求得,0,1,,i b i n = L 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 dty c t e ?=，代⼊⽅程，求出()c t 后可求得通解为()()(())P t dtP t dty e Q t e dt c -?=+.(iii) 积分因⼦法: ⽅程改写为()()dyP t y Q t dt-=, 将()P t dt e µ-?=, 乘⽅程两端得 ()()()()()P t dt P t dtP t dt dy e e P t y Q t e dt---?-= 即 ()()()()P t dtP 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 dt P t dt y e Q t e dt 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 dyP 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 1nz y-=化为(1)()(1)()dyn 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(,)dyf t y dt =的解()y t ?=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(,)dyf t y dt=的通解()y t ?=，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dydt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dydt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(,)()dyf t y dty 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[(,)()]2n 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2D ?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 =∈ << < 和函数()y t , 定义于区间00(,)t t εε-+内，是初值问题00(,)()dyf 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 =∈ << <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(,)()dyf 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 =∈ << < 和函数()y t , 定义于区间00(,)t t εε-+内，是初值问题00(,)()dyf 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yf在D 上有界. 设在D 上L yf≤??, 这时 2121212(,())(,)(,)f t y y y f t y f t y y y yθ?+--=-?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 =∈ << <条件. 如果00(,)t y D ∈，00(,,)y t t y ?=是初值问题00(,)()dyf 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2220000t t y y δ-+-<（）（）时，初值问题00(,)()dyf t y dt y t y==的解00(,,)y t t y ?=在区间00(,)t h t h -+内也有定义，并且0000|(,,),,|,t t y x t y ??ε-<（） 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 =∈ << <条件. 如果00(,)t y D ∈，00(,,)y t t y ?=是初值问题00(,)()dyf t y dt y t y==的解, 那么00(,,)t t y ?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(,)()dyf 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()dyf 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()dyf 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)dyf y y y dt= =解的渐近⾏为 (1) 趋向于平衡点, 如01()(1),2f 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()dyf 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()dyf 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()dyf 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()(,)dyf y f y dtµµ==, 0µµ=是⼀个分歧值的必要条件是: 存在平衡点0y , 使得 0000(,)(,)0ff y y yµµ?==?. 这样我们要找分歧点可以通过求解⽅程组 (,)0(,)0f y fy 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 Sk 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dTdt, ⽜顿冷却定律可表⽰为 ()dTk 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dQdt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 0QfV et ft+-/分.于是得到微分⽅程0dQ Qf be dt V et ft =-+-, 即 0dQ fQ 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 Cdt dt dt ===, 其中 Q 为电量从⽽R 处的电压为 dvRI 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 vdt 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 VI 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dyky dt=. Malthus 模型的解()(0)kty 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()dyyf 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()/dyf 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3220dyy 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3220dyy 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 Sk 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 Sk S dt N =--. (2) 1(1)3dS S k S S dt N =--.(3) (1)dS Sk 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 tdt y=- 解：变量分离得 ydt tdy =-.两边积分 22222y t c =-+. 通解为 22t y c +=, c 为任意正常数.例4求解⽅程231dy y dx xy x y+=+ 解：变量分离得221(1)ydy dxy x x =++, 两边积分2221()1(1)1ydy dx xdx y x x x x ==-+++.即22111ln(1)ln ||ln(1)22y 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 yxy dx x -=. 解: 将⽅程改写为 tan dy y ydx x x=+, 这是齐次⽅程,做变量替换yu x =，即y ux =，有dy du x u dx dx=+，从⽽原⽅程变为tan dux u u u dx+=+ 即tan du udx x=利⽤分离变量法求得 sin u cx =, 代回原变量得通解为sin ycx x =, c 为任意常数例6 求解⽅程22dyx y x y dx=+-.解: ⽅程改写为2sgn 1()dy y y x dx x x=+?- 令u=y x ，则y ux =，从⽽2sgn 1du x u u x u dx+=+?- 当210u -≠时，2sgn 1du xdx xu =-, arcsin sgn ln u x x c =?+, 即 arcsinsgn ln yx x c x=?+, c 为任意常数．此外，还有解210u -=，即22y x =．例7求解⽅程13dy x y dx x y -+=+- 解: 解⽅程组 1030x y x y -+=??+-=?的解为12x y =??=?. 令 12X 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 21,12dX 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()dyy b t dt-=, 其中 (1) 2()1b t t t =++, (2) 4()tb t e = (3) 2()3tb 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 2ty ce =, 下⾯⽤猜测-检验法求特解(1) 设 21y At Bt C =++ 代⼊221dyy 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 22112ty ce t t =---, c 为任意常数. (2) 设 42ty Ae = 代⼊ 42t dy y e dt-=, 有44442t t t Ae Ae e -=解得 12A =, 从⽽4212ty e =, 原⽅程的通解为 2412tt y ce e =+, c 为任意常数.(3) 不能设2tAe 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 23ty Ate = 代⼊22t dyy e dt-=, 有 2222223t t t t Ate Ae Ate e +-=解得 3A =, 从⽽233ty te =, 原⽅程的通解为2223(3)t t ty ce te c t e =+=+, c 为任意常数.(4) 设 4cos3sin 3y A t B t =+ 代⼊2cos3dyy t dt-=, 有 3sin33cos32(cos3sin3)cos3A t B t A t B t t -+-+=有 2310320A B A B -+-=??--=?, 解得 23,1313A B =- =,从⽽423cos3sin 31313y t t =-+, 原⽅程的通解为 223cos3sin 31313ty 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 31213132t t y e te t t t t =+-+---原⽅程的通解为242212313cos3sin 31213132t t t y ce e te t t t t =++-+---,c 为任意常数.例9求⽅程22dy 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 yty 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 268c t z t =-+, 代回原变量得2618c t y t =-+, 即688t 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)1dy y t dt t =+++. 解: ⽅程改写为 32(1)1dy y t dt t -=++, 积分因⼦为 221()(1)dtt t e t µ- -+?==+,乘⽅程两端得 23(1)2(1)1dyt 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()()10tf t f s ds t = , ≠?, 试求函数()f t 的⼀般表达式.解: 设0()()tF t f s ds =?, 则()F t 可导且()()F t f t '=, 这样有1,dFFFdF 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。
常微分方程
阶 微 程 初 条 为 一 常 方 的 始 件 y(x0 ) = y0 ,其 x0 ， 中
y0 是 个 知 . 两 已 数
y + xln x 的通解. 例1 的通解. x 1 解 原方程变形为 y′ − y = ln x x 此方程为一阶线性非齐次方程. 此方程为一阶线性非齐次方程.
求方程 y′ =
(1)
首先对(1)式所对应的齐次方程求解 首先对(1)式所对应的齐次方程求解 (1) 1 y′ − y = 0 x dy dx = 方程(2) (2)分离变量得 方程(2)分离变量得 y x
（3）计算上述不定积分，得通解. 计算上述不定积分，得通解. 不定积分
2 通 ． 例 求y'+xy = 0的 解
dy 解 方 变 为 程 形 = −xy, dx
分 变 得 离 量
dy = −xdx ( y ≠ 0 ) , y dy ∫ y = −∫ xdx,
边 分 两 积 得 积 得 求 分
1 2 ln | y |= − x +C , 1 2
第八章 常微分方程
第一节 常微分方程的基本概念与 分离变量法 第二节 一阶线性微分方程与可降 阶的高阶微分方程 第三节 二阶常系数线性微分方程
第一节 常微分方程的基本概念与 分离变量法
一、微分方程的基本概念 二、分离变量法
第一节 常微分方程的基本概念与分离变量法
一、微分方程的基本概念
分 程 含 未 函 的 数 或 分 的 程 为 微 方 ： 有 知 数 导 （ 微 ） 方 称 微 分 程 特 当 分 程 所 的 知 数 一 函 时 这 方 ． 别 微 方 中 含 未 函 是 元 数 ， 时 微 方 就 为常微分方程． 的 分 程 称 常微分方程．
常微分方程知识点
第一章 绪论什么是线性微分方程：形如)()()()(y 1)1(1)(x f y x a y x a y x a n n n n =+'+++--Λ的微分方程，即y 及y 的各阶导数都是一次有理整式，即不含y 及y 的各阶导数的乘积的微分方程叫：线性微分方程。
第二章 一阶微分方程的初等解法§ 2.1 变量分离方程1、形式：)()(y x f dxdy ϕ= 做题步骤：① 0)(≠y ϕ 可将方程改写为：dx x f y dy )()(=ϕ，这样对两边积分：⎰⎰+=c dx x f y dy )()(ϕ，得出方程的通解，但c 要保证积分式有意义 ② 0)(=y ϕ时，求出0y y = 也是方程的解2、y x P dxdy )(=得dx x P ce y ⎰=)( (2.4) 而0=y 也是方程的解，而若(2.4)允许c=0，则y=0也在(2.4)中，故(2.4)是原方程的通解，其中c=0。
3、齐次方程：)(xy g dx dy = (2.5) 做变量变换x y u =，即ux y =，则u dx du x dx dy +=，整理后为：x u u g dx du -=)(，即为变量分离方程。
同时要注意：将一个方程转化为齐次方程求解时，两个方程是否同解（c 的范围是否相同）4、222111c y b x a c y b x a dx dy ++++= (2.13) 做题步骤：①k c c b b a a ===212121（常数），通解：c kx y += (c 为任意常数) ② 212121c c k b b a a ≠==，令y b x a u 22+=，有212222c u c ku b a dx dy b a dx du ++++=+=，为变量分离方程 ③ 2121b b a a ≠，如果没有常数21c c 、，则很容易变成齐次方程做，（体会：）让分子分母都为零，则为两条曲线⎩⎨⎧=++=++00222111c y b x a c y b x a (2.14)，两条曲线相交的交点为),(βα，而没有那两个常数时方程为都过原点的形式，因此过原点的这两直线可视为原坐标系平移后原直线在新坐标系下的坐标，令⎩⎨⎧-=-=βαy Y x X ，(2.14) 变为⎩⎨⎧=+=+002211Y b X a Y b X a ，从而 (2.13) 变为)(2211X Y g Y b X a Y b X a dX dY =++=，§ 2.2 线性微分方程与常数变易法1、)()(x Q y x P dxdy += (2.28) 做题步骤：① 考虑y x P dxdy )(=，求出它的通解为：⎰=dx x P ce y )(；② 常数变易变为：⎰=dx x P e x c y )()((2.29) ③ 求微分得：⎰+⎰=dx x P dx x P e x P x c e dxx dc dx dy )()()()()( (2.30) ，④ 将(2.29)和(2.30)代入(2.28)，得到： ⎰=-dx x P e x Q dx x dc )()()(，⑤ 积分后得到⎰'+⎰=-c dx e x Q x c dx x P )()()(，于是得到方程(2.28)的通解为： ))(()()(⎰'+⎰⎰=-c dx e x Q e y dx x P dx x P2、伯努利微分方程n y x Q y x P dxdy )()(+= 做题步骤：① 两边同除以n y ，得到)()(1x Q x P y dx dy yn n +=--，② 设n y z -=1，得dx dy y n dx dz n --=)1( ③ 于是原方程变为：)()1()()1(x Q n z x P n dxdz -+-=，即为线性微分方程 § 2.3 恰当微分方程与积分因子1、恰当方程形式：0),(),(=+dy y x N dx y x M （M 、N 在已知区域上连续且具有一阶连续偏导数）推理过程：① 若已知此微分方程是恰当方程能推出什么？先设原函数为),(y x u yx u y N x y u y M ∂∂∂=∂∂∂∂∂=∂∂22、 由条件得：yx u x y u ∂∂∂=∂∂∂22即x N y M ∂∂=∂∂ ② 那么反过来若由它俩相等能否推出方程是恰当方程？ 从x u M ∂∂=出发，两边同时求积分：⎰⎰∂∂==x u Mdx u +c ，但c 若是常数那么？则应为：⎰⎰+=∂∂=)(y Mdx dx x u u ϕ ③ 对u 关于y 求偏导：),()(y x N y Mdx y y u ='+∂∂=∂∂⎰ϕ，如何证明等式左边等于右边（方程有意义），即右边也与x 无关即只与y 有关？ 对右边关于x 求偏导0=∂∂-∂∂=∂∂∂∂-∂∂⎰y M x N dx y M x x N （因为证充分，则y M x N ∂∂=∂∂为已知）④ 两端积分：dy Mdx y N y ⎰⎰∂∂-=)()(ϕ，于是⎰⎰⎰∂∂-+=)(dy y M N Mdx u 做题步骤：① 先设u(x,y)，② 证明xN y M ∂∂=∂∂，③ 从M 出发对方程两端同时求积分得)(),(),(y dx y x M y x u ϕ+=⎰，④ 对u 求偏导：),()(y x N y Mdx y y u ='+∂∂=∂∂⎰ϕ，⑤ 两边积分得dy dx y M N y ⎰⎰∂∂-=)()(ϕ，⑥ 得⎰⎰⎰∂∂-+=dy dx y M N Mdx u )(。
常微分方程积分曲线课件
4、线性和非线性
定义：如果微分方程中，未知函数和出现的各阶导数而 言是一次有理整式，则此微分方程称为线性微分方程， 否则称为非线性微分方程. 参见上述各例.
一般地，n阶线性微分方程为
d d nn yx a 1 (x )d d n n 1 y 1 x a n(x )yf(x ) (1 .1)3
的方向场，又称向量场.
Ｄ
等斜线
在方向场中，方向相同的点的几何轨迹称为等斜线（等倾斜线）.
例２ 实例分析（方向场）
讨论微分方程
dy 1 xy dx
等斜线是双曲线：1xyk
积分曲线的分布概况如左图.
等斜线
注释：原方程的解为
1x2
1x2
ye2 ( e 2 dxc)
积分曲线：图中实线
拐点 所在 的曲 线
因此，微分方程是一门与实际联系比较密切的数学课程，应 该注意它的实际背景与应用；而作为一门数学基础课程，又应该 把重点放在应用数学方法研究微分方程本身的问题上.
返回
第二节 微分方程的基本概念
1、微分方程
定义：把包含未知函数导数的方程叫做 微分方程.例
如方程（1.1）.
定义的注:联系自变量、未知函数及它的导数(或微 分)的关系式,数学上称为微分方程.
例如数学分析中的隐函数问题，就是在一定条件下， 由方程
F(x, y)0 (*)
来确定隐函数，上述方程（*）是众所周知的隐函数方 程，它是函数方程中最简单的一种。而隐函数是所要求 的未知函数。
在数学分析中，不定积分问题 F(x)f(x)dx，实际上是
微分的逆运算问题，也可以用函数的概念叙述如下：
设 f(x) 是自变量为 x 的已知连续函数，试求函数 y=y(x) 满足 下列方程：
第一章 常微分方程
寻求变量间的未知函数关系，对于理论研究或实际问题的相互影响因素分 析，都是至关重要的。然而有些问题，我们常常只能先找到变量的变化率
及其相关的变量间存在的间接关系，那么如何求得这些变量间的直接函数
关系，是我们需要解决的问题。
第一节 常微分方程基本概念 第二节 一阶可分离变量的微分方程 第三节 一阶线性微分方程 第四节 二阶线性常系数齐次微分方程
则有数学模型
x k x(t )[ a x(t )]t x(0) b 第一式两边同除t ，并在 t 0 时取极限得
x (t ) k x(t )[ a x(t )] x(0) b
三、形如y(n）=f(x)的微分方程求解
例1 求微分方程 y e 2 x x 的通解． 解 这个方程的特点是右边仅为自变量的表达式，根据 高阶导数的含义，本题求解只须连续积分三次
速度为
a；发动机周围始终保持恒温为b
发动机的温度变化是自身升温与环境冷却的共同 作用结果。冷却定律是说：物体的冷却速率正比于
自身温度与环境的温度差，设 k为正比例系数；
Q a k (Q b) 则定解模型为 Q |t 0 b
例3 一艘质量为M的潜艇从水面开始下沉，所受水的阻力 与下沉速度成正比，建立潜艇下沉的深度随时间变化的定解模型。 解：设潜艇下沉的深度随时间变化的函数关系为
二、微分方程建模举例
微分方程类型十分丰富，并存在许多
特别的解法。当然，寻求微分方程的定解
问题模型是解决问题前提，求出微分方程
的通解则是解决问题的关键。 凡涉及到变量的变化率、变量的增量等
相关问题，我们根据变量因素的联系、结合
常微分方程-习题作业-第一章第二节作业及详细解答
1习题 1.22.放射性物质镭的裂变速度与存余量成正比k.设已知在某时刻t0容器中镭的质量是R0g.要求确定镭在任意时刻t的质量R(t).解:不难看出R(t)满足初值问题dRdt=−kR,R(t0)=R0.由此得dRR =−kdt,两边积分得通解R(t)=Ce−kt,其中C为任意常数.代入初值条件R(t0)=R0求出C=R0e kt0,因此R(t)=R0e−k(t−t0).4.把例1.3和例1.4的微分方程化成规范的一阶方程组形式.解:对例1.3的微分方程,令y=dxdt,则可将其化成规范的一阶方程组:dx dt =y,dydt=−kmx−µmy.对例1.4的微分方程,令x1=θ,x2=dθdt,则可将其化成规范的一阶方程组:dx1 dt =x2,dx2dt=−gsin x1.5.作出下列方程的方向场,并描出经过指定点的积分曲线:(1)dxdt=|x|,(0,0),(0,−1).(2)dxdt =t2+x2,(0,0),(0,−1/2),(√2,0).图0-1:第5(1)题图0-2:第5(2)题解:利用如下的Maple命令可作出相应方程的方向场和积分曲线,见图0-1,0-2: with(DEtools):phaseportrait(D(x)(t)=abs(x(t)),x(t),t=-3..3,[[x(0)=0],[x(0)=-1]],x=-3..3,color=black,linecolor=black);phaseportrait(D(x)(t)=t^2+x^2,x(t),t=-2..2,[[x(0)=0],[x(0)=-1/2],[x(sqrt(2))=0]],x=-2..2,color=black,linecolor=black);。
《常微分方程》 (方道元 著) 课后习题答案 浙江大学出版社
w
2.验证下列各函数是相应微分方程的解，并指出哪些是通解： (1) y = 1 + x2 ,
dy dx
dy 1 (2) y = − x , x2 dx − x2 y 2 − xy − 1 = 0; dy dx2
w
(3) y = C1 e2x + C2 e−2x ,
d y dx2
2 2
w
(4)一阶非线性；
(4) y = cxex ,
dy 2 d y (5) y = ecx , ( dx ) − y dx 2 = 0(其中c是任意常数);
.k
= y 2 − (x2 + 1)y + 2x; − 4y = 0(其中C1 ，C2 是任一常数);
dy + y = 0(其中c是任意常数); − 2 dx
hd aw
第一章习题 第一节习题 1.一个月球登陆器以1000米/时的速度开始向月球表面垂直着陆。为了能在月球表面达到软着陆，即着陆 时登陆器的速度正好为零，需要点燃一个能提供加速度为-20000米/时2 的减速器，试讨论这个减速器在 何高度时点燃为好？
解：设高度为h，加速度为a = −2oooom/h2 ，初始速度为v0 = 1000m/h,降落所用的时间是T，则有
(x−C1 )2 , 4
dy dx
=
|y |.
(1)是解，但不是通解； (2)是解，但不是通解； (3)是解也是通解； (4)是解，但不是通解； (5)是解，但不是通解； (6)是解也是通解。
(1)曲线族y = Cx + x2 所满足的微分方程； (2)曲线族xy = C 所满足的微分方程； (3)平面上一切圆所满足的微分方程；
解：方程两边一直对x求导，直到没有常数为止，则得到微分方程 (1)y = 2； (2)y + xy = 0； (3)y + (y )2 y (4)y = 0。
常微分方程(1,2章)
强迫微小振动 若单摆还受到一个始终与运动方向相同的力F ( t )，则单摆 的运动微分方程为
d2kdgF(t) (1.19)
dt2 mdt l lm
初始状态 要确定摆的某一特定运动时，还应该给出摆的初始状态，即当 t = 0 时，
0,
d
dt
0
它们分别代表摆的初始位置和初始角速度.
目录1 目录2 返回 退出
( 1 .2 8 )
此模型称为SIS模型，σ 称为称为每个病人的有效接触人数 .
目录1 目录2 返回 退出
如一些有很强免疫性的传染病，病人治愈后不会再被感染 . 设在时刻 t 时的 愈后免疫人数为 r ( t ) (称为移出人数）, 而治愈率 l 为常数， 即
dr(t) lx(t) dt
则
x ( t) y ( t) r ( t) n ( 1 .2 9 )
常微分方程
第一章 绪 论
§1.1 微分方程 过程的数学模型 §1.2 微分方程的基本概念
目录1 目录2 返回 退出
§1.1 微分方程 – 变化过程的数学模型
函数是反映事物变化过程中的量与量之间的关系， 但是现 实中稍微复杂一点的关系，一般都是很难直接找到的，而却比 较容易找到这些量和这些量与量之间的导数（变化率）的关系 式 . 这种联系着自变量、未知函数和它的导数（微分）的关系 式称为微分方程 .
目录1 目录2 返回 退出
例5 传染病模型 设传染病传播期间其地区总人数不变，为常数 n，开始
时染病人数为x0，在时刻 t 时健康人数为 y ( t )，染病人数为x ( t ) .
基本假设: 单位时间内一个病人能传染的人数与当时的健康人数成正比，比
例常数为 k，称为传染系数 .由此假设可得以下微分方程
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
习惯将一般 n 阶常微分方程写成为解出高阶导数的形
式: z(n) g(t ; z, z,...z(n1) )
(1.48)
其中
z(n)
dnz dt n
, z
dz dt
,..., z(n1)
d n1z dt n1
作变换 y1 z，y2 z，...，yn z(n1) 则
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.
微分方程的阶数
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.
(1) dy 2x dx
(2) xdy ydx 0
一阶微分方程； 一阶微分方程；
(3)
d2x dt 2
tx
dx dt
3
0
,初始条件通常取为:
y(x0 ) k0 , y(x0 ) k1, , y(n1) (x0 ) kn1,
其中 k0 , k1,
kn1,
为给定的常数.求F
x,
y,
dy dx
,
,
dny dxn
0的满足
初值条件的解的问题称为初值问题或Cauchy问题,记为:
为了从通解中得到合乎要求的特解,必须根据实际问题 的需要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.因为 n 阶微分方程
F
x,
y,
dy dx
,
dny
,
dxn
0
的通解中含有 n
个相互独立的任意
常数, 所以为了确定这些常数就需要附加 n 个条件.如果这 n 个条件是在某一”瞬时” x x0 给出的,则这种条件称为初始 条件.
y,
dy dx
,
dny dxn
0
在
I上的一个解。
隐式解
如果关系式 (x, y) 0 确定的隐函数 y (x), x I 是微分方程
dy d n y
F
x,
y,
dx
,
,
dxn
0
的解，则称 (x, y) 0 为该方程的隐式解。
例如，一阶微分方程 dy x dx y
dy f ( y) ，方程组 f ( y) 0 的解 y y* 表示为相空间中 的d点t ，它满足微分方程组，称之为平衡解（驻定解、常数解）
，又称为奇点（平衡点）.
对于平面一阶驻定微分方程组
dx dt
f
(x,
y)
dy dt
g(x,
y)
其相空间 (x, y) 又称为相平面.驻定方程的积分曲线有如
有解 y 1 x2 和 y 1 x2 而关系式 x2 y2 1
是原方程的隐式解。 本课程将不区分解与隐式解，统称为微分方程的解。
通解与特解 如果微分方程的解中含有任意常数，且所含的相互独立
的任意常数的个数与微分方程的阶数相同，则称这样的解为 该微分方程的通解。
例如：y C1 sin x C2 cos x是方程 y y 0的通解. n 阶微分方程的通解的一般形式为:
一簇曲线，称为积分曲线簇。 满足初始条件 y0 (x0 )
的特解就是通过点 (x0 , y0 ) 的一条积分曲线。
积分曲线的每一点
(x, y) 上的切线斜率
dy dx
刚好等于函
数 f (x, y) 在这点的值，也就是说, 积分曲线的每一
点 (x, y) 及这点上的切线斜率 dy 恒满足方程 dy f (x, y) ；
在通解中给任意常数以确定的值而得到的解称为方程 的特解.
例如 方程 y y 0
通解 y C1 sin x C2 cos x 特解 y sin x C1 1,C2 0
y cos x C1 0,C2 1
对于
n
阶微分方程
F
x,
y,
dy dx
,
,
dny dxn
(3)
d2x dt 2
tx dx 3 dt
x
0
;
(2) xdy ydx 0 ;
(4)
d4x dt 4
5
d2x dt 2
3x
sin
t
;
如果自变量的个数为两个或两个以上的微分方程称为偏 微分方程，例如
(1) z z z ; x y
(2) 2u 2u x y uz 0 . x2 y2
y (x;C1, Cn )
其中 C1, Cn 为相互独立的任意常数.
附注2: 如果微分方程的隐式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,则这样的解称为隐式通解,以 后我们也不区分通解和隐式通解,统称为微分方程的通解.
由于在通解中含有任意常数,因此它还不能完全确切 地反映实际问题的规律性.要确切地反映实际问题的规律 性,必须给通解中的任意常数赋予确切的值.
பைடு நூலகம்
dx
dx
反之，如果在一条曲线每点上其切线斜率刚好等于函
数 f (x, y) 在这点的值，则这一条曲线就是方程 dy f (x, y)
dx
的积分曲线。
设函数 f (x, y) 的定义域为D。在每一点 (x, y) D处
画上一个小线段，其斜率等于 dy 。我们把带有这种直线段 dx
的区域 D 称为由方程 dy f (x, y) 规定的方向场或线素场。 dx
§1.2 基本概念
常微分方程与偏微分方程 微分方程的阶 线性与非线性微分方程 微分方程的解 积分曲线和方向场 微分方程组 驻定与非驻定 动力系统 相空间，奇点和轨线
常微分方程与偏微分方程
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。例如
(1) dy 2x ; dx
设 I 是x 轴上的一个区间，如果函数y (x), x I
满足下列条件：
（1）(x) 是在 I 有定义且具有直到 n 阶连续的导数 (x), ,(n) (x),
（2）对任意的 x I , F (x,(x), ,(n) (x)) 0,
则称
y=
(x)为F
x,
fi (t ;
y1,..., yn ),
i 1, 2,..., n
或者用向量表示为:
dy
f (t ; y),
dt
y1
y
y2
,
yn
fi (t ; y1,..., yn )
f
(t
;
y)
fi
(t
;
y1,...,
yn
)
fi (t ; y1,..., yn )
驻定与非驻定，动力系统
如果方程组右端不含自变量 t ,即
dy f ( y), y D Rn dt
则称为驻定(自治)的,右端含 t 的方程组称为非驻定(非自治)的.
动力系统是一个映射,要满足恒同性和可加性.
相空间、奇点和轨线
不含自变量、仅由未知函数组成的空间称为相空间. 积分曲线在相空间中的投影称为轨线.对驻定微分方程组
F(x, y, y, , y(n)） 0
y(
x0
)
k0
,
y(
x0
)
k1,
, y(n1) (x0 ) kn1
积分曲线和方向场
一阶微分方程 dy f (x, y)
dx
的解 y (x) 代表 xy 平面上的
(x0 , y0 )
一条曲线，称为积分曲线。
通解 y (x,c) 对应 xy 平面上的
t
n阶线性微分方程的一般形式为：
.
dnx dxn
a1 ( x)
d n1 y dxn1
an (x) y f (x),
其中 a1(x), an (x), f (x)是已知函数。
不是线性方程的方程称为非线性微分方程.例如
d2 dt
x
2
tx
dx dt
3
x
0
微分方程的解
而满足g(x, y) 0 的曲线称为水平等倾斜线.
在方向场中，方向相同的点的几何轨迹称为等斜线。
微分方程 dy f (x, y) 的等斜线方程为 dx
f (x, y) k
其
中 k 是参数。给出参数 k 的一系列充分接近的值，就可得
足够密集的等斜线族，借此可以近似地作出积分曲线。
微分方程组
用两个及两个以上的关系式表示的微分方程称为微分方 程组。
x
0
(4)
d4x dt 4
5
d2x dt 2
3x
sin
t
二阶微分方程； 四阶微分方程.
一般的n阶常微分方程可以写成：
dy d n y
F
x,
y,
dx
,
,
dxn
0,
这里
F
x,
y,
dy dx
,
dny
,
dxn
是
x, y, dy , dx
dny
, dxn 的已知函数,
z(n) g(t ; z, z,...z(n1) )