-微分方程的基本概念
微分方程的基本概念
第十二章 微分方程§12. 1 微分方程的基本概念函数是客观事物的内部联系在数量方面的反映, 利用函数关系又可以对客观事物的规律性进行研究. 因此如何寻找出所需要的函数关系, 在实践中具有重要意义. 在许多问题中, 往往不能直接找出所需要的函数关系, 但是根据问题所提供的情况, 有时可以列出含有要找的函数及其导数的关系式. 这样的关系就是所谓微分方程. 微分方程建立以后, 对它进行研究, 找出未知函数来, 这就是解微分方程.例1 一曲线通过点(1, 2), 且在该曲线上任一点M (x , y )处的切线的斜率为2x , 求这曲线的方程.解 设所求曲线的方程为y =y (x ). 根据导数的几何意义, 可知未知函数y =y (x )应满足关系式(称为微分方程)x dxdy 2=. (1) 此外, 未知函数y =y (x )还应满足下列条件:x =1时, y =2, 简记为y |x =1=2. (2)把(1)式两端积分, 得(称为微分方程的通解)⎰=xdx y 2, 即y =x 2+C , (3)其中C 是任意常数.把条件“x =1时, y =2”代入(3)式, 得2=12+C ,由此定出C =1. 把C =1代入(3)式, 得所求曲线方程(称为微分方程满足条件y |x =1=2的解): y =x 2+1.例2 列车在平直线路上以20m/s(相当于72km/h)的速度行驶; 当制动时列车获得加速度-0.4m/s 2. 问开始制动后多少时间列车才能停住, 以及列车在这段时间里行驶了多少路程?解 设列车在开始制动后t 秒时行驶了s 米. 根据题意, 反映制动阶段列车运动规律的函数s =s (t )应满足关系式 4.022-=dt s d . (4) 此外, 未知函数s =s (t )还应满足下列条件:t =0时, s =0, 20==dtds v . 简记为s |t =0=0, s '|t =0=20. (5) 把(4)式两端积分一次, 得14.0C t dtds v +-==; (6) 再积分一次, 得s =-0.2t 2 +C 1t +C 2, (7)这里C 1, C 2都是任意常数.把条件v |t =0=20代入(6)得20=C 1;把条件s |t =0=0代入(7)得0=C 2.把C 1, C 2的值代入(6)及(7)式得v =-0.4t +20, (8)s =-0.2t 2+20t . (9)在(8)式中令v =0, 得到列车从开始制动到完全停住所需的时间504.020==t (s ). 再把t =50代入(9), 得到列车在制动阶段行驶的路程s =-0.2⨯502+20⨯50=500(m ).解 设列车在开始制动后t 秒时行驶了s 米,s ''=-0.4, 并且s |t =0=0, s '|t =0=20.把等式s ''=-0.4两端积分一次, 得s '=-0.4t +C 1, 即v =-0.4t +C 1(C 1是任意常数),再积分一次, 得s =-0.2t 2 +C 1t +C 2 (C 1, C 2都C 1是任意常数).由v |t =0=20得20=C 1, 于是v =-0.4t +20;由s |t =0=0得0=C 2, 于是s =-0.2t 2+20t .令v =0, 得t =50(s). 于是列车在制动阶段行驶的路程s =-0.2⨯502+20⨯50=500(m ).几个概念:微分方程: 表示未知函数、未知函数的导数与自变量之间的关系的方程, 叫微分方程. 常微分方程: 未知函数是一元函数的微分方程, 叫常微分方程.偏微分方程: 未知函数是多元函数的微分方程, 叫偏微分方程.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, 叫微分方程的阶. x 3 y '''+x 2 y ''-4xy '=3x 2 ,y (4) -4y '''+10y ''-12y '+5y =sin2x ,y (n ) +1=0,一般n 阶微分方程:F (x , y , y ', ⋅ ⋅ ⋅ , y (n ) )=0.y (n )=f (x , y , y ', ⋅ ⋅ ⋅ , y (n -1) ) .微分方程的解: 满足微分方程的函数(把函数代入微分方程能使该方程成为恒等式)叫做该微分方程的解. 确切地说, 设函数y =ϕ(x )在区间I 上有n 阶连续导数, 如果在区间I 上,F [x , ϕ(x ), ϕ'(x ), ⋅ ⋅ ⋅, ϕ(n ) (x )]=0,那么函数y =ϕ(x )就叫做微分方程F (x , y , y ', ⋅ ⋅ ⋅, y (n ) )=0在区间I 上的解.通解: 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.初始条件: 用于确定通解中任意常数的条件, 称为初始条件. 如x =x 0 时, y =y 0 , y '= y '0 .一般写成00y y x x ==, 00y y x x '='=. 特解: 确定了通解中的任意常数以后, 就得到微分方程的特解. 即不含任意常数的解. 初值问题: 求微分方程满足初始条件的解的问题称为初值问题.如求微分方程y '=f (x , y )满足初始条件00y y x x ==的解的问题, 记为⎩⎨⎧=='=00),(y y y x f y x x .积分曲线: 微分方程的解的图形是一条曲线, 叫做微分方程的积分曲线. 例3 验证: 函数x =C 1cos kt +C 2 sin kt是微分方程0222=+x k dt x d 的解.解 求所给函数的导数:kt kC kt kC dtdx cos sin 21+-=, )sin cos (sin cos 212221222kt C kt C k kt C k kt C k dt x d +-=--=. 将22dtx d 及x 的表达式代入所给方程, 得 -k 2(C 1cos kt +C 2sin kt )+ k 2(C 1cos kt +C 2sin kt )≡0.这表明函数x =C 1cos kt +C 2sin kt 满足方程0222=+x k dtx d , 因此所给函数是所给方程的解. 例4 已知函数x =C 1cos kt +C 2sin kt (k ≠0)是微分方程0222=+x k dtx d 的通解, 求满足初始条件 x | t =0 =A , x '| t =0 =0的特解.解 由条件x | t =0 =A 及x =C 1 cos kt +C 2 sin kt , 得C 1=A .再由条件x '| t =0 =0, 及x '(t ) =-kC 1sin kt +kC 2cos kt , 得C 2=0.把C 1、C 2的值代入x =C 1cos kt +C 2sin kt 中, 得x =A cos kt .。
第十章第一节微分方程的概念
y dx 2 xdx 得
y x 2 C1
2 y dx ( x C1 )dx
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第一节 微分方程的基本概念
2、通解 若微分方程的解中含有独立的任意常数,且 任意常数的个数与微分方程的阶数相同， 则称这样的解 为微分方程的通解 （一般解）。
2 前例中， y 3 x ,
其中x0 , y0为已知常数. 二阶微分方程y f ( x, y, y)的初始条件为 , 其中x0 , y0 , y0 为已知常数. y x x y0 , y x x y0
0 0 0
y x x y0 ,
第一节 微分方程的基本概念
称为 4、初始条件 确定通解中的任意常数的条件， 初始条件， 也称为定值条件。
线斜率等于该点的横坐标平方的3倍,求此曲线的方程. 解： 设所求曲线方程为 y y( x ), dy 2 ① 微分方程 3 x 由导数的几何意义得
因曲线通过点 (1,2), 故 y | x 1 2
dx
② 初始条件 对(1)式求积分, 得 y 3 x 2dx x 3 C ③ 方程通解
n阶线性微分方程的一般形式为 ( n) ( n1) y a1 ( x) y ... an1 ( x) y an ( x) y g( x) （3） 其中a1 ( x),.a2 ( x)...,an ( x)和g( x)均为自变量x的
已知函数。 例： y P ( x ) y Q( x ), y 2 yy 3 y x 2 一阶线性常微分方程 二阶线性常微分方程
微分方程是一门独立的数学学科，有完整的理论体系。 是现代数学的一个重要分支。 本章我们主要介绍微分方程的一些基本概念，几种 常用的微分方程的求解方法，微分方程在经济中的应用。
微分方程的基本概念
微分方程的基本概念微分方程的基本概念一、微分方程的定义微分方程是描述自变量和它的某些函数之间关系的方程，其中包含了这些函数在某一点上的导数或者微分。
二、微分方程的分类1.按照未知函数个数分类：(1) 一阶微分方程：只涉及一个未知函数及其导数。
(2) 二阶微分方程：涉及一个未知函数及其前两个导数。
(3) 高阶微分方程：涉及一个未知函数及其前n个导数。
2.按照系数是否含有自变量分类：(1) 常系数微分方程：系数不含有自变量。
(2) 变系数微分方程：系数含有自变量。
3.按照解析解是否存在分类：(1) 可解析求解的微分方程：存在精确解式。
(2) 不可解析求解的微分方程：不存在精确解式，需要采用近似方法求解。
三、常见一阶线性微分方程1. 标准形式：$$\frac{dy}{dx}+p(x)y=q(x)$$其中，$p(x)$和$q(x)$均为已知函数，$y=y(x)$为未知函数。
2. 求解步骤：(1) 求出齐次线性微分方程的通解：$\frac{dy}{dx}+p(x)y=0$(2) 求出非齐次线性微分方程的一个特解。
(3) 通解为齐次通解加上特解。
四、常见一阶非线性微分方程1. 可分离变量的微分方程：$$\frac{dy}{dx}=f(x)g(y)$$将式子两边同时积分即可求出通解。
2. 齐次微分方程：$$\frac{dy}{dx}=f(\frac{y}{x})$$其中，$f(u)$是关于$u$的已知函数，将$y=ux$代入原式中，化简后得到一个变量可分离的微分方程，进而求出通解。
3. 一阶线性微分方程：$$\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)y^n$$其中，$P(x)$和$Q(x)$均为已知函数。
通过变量代换和积分可以求出其通解。
五、常见二阶线性微分方程1. 标准形式：$$y''+py'+qy=f(x)$$其中，$p(x),q(x),f(x)$均为已知函数。
2. 求解步骤：(1) 求出其对应的齐次线性微分方程的通解：$y''+py'+qy=0$(2) 求出非齐次线性微分方程的一个特解。
微分方程的基本概念
第九章 微分方程对自然界的深刻研究是数学最富饶的源泉. -------傅里叶微积分研究的对象是函数关系，但在实际问题中，往往很难直接得到所研究的变量之间的函数关系，却比较容易建立起这些变量与它们的导数或微分之间的联系，从而得到一个关于未知函数的导数或微分的方程，即微分方程. 通过求解这种方程，同样可以找到指定未知量之间的函数关系. 因此，微分方程是数学联系实际，并应用于实际的重要途径和桥梁，是各个学科进行科学研究的强有力的工具.如果说“数学是一门理性思维的科学,是研究、了解和知晓现实世界的工具”，那么微分方程就是显示数学的这种威力和价值的一种体现.现实世界中的许多实际问题都可以抽象为微分方程问题. 例如，物体的冷却、人口的增长、琴弦的振动、电磁波的传播等，都可以归结为微分方程问题. 这时微分方程也称为所研究问题的数学模型.微分方程是一门独立的数学学科，有完整的理论体系. 本章我们主要介绍微分方程的一些基本概念，几种常用的微分方程的求解方法及线性微分方程解的理论.第一节 微分方程的基本概念一般地，含有未知函数及未知函数的导数或微分的方程称为微分方程. 微分方程中出现的未知函数的最高阶导数的阶数称为微分方程的阶.在物理学、力学、经济管理科学等领域我们可以看到许多表述自然定律和运行机理的微分方程的例子.分布图示★ 引 言★ 微分方程的概念★ 例1★ 例2★ 微分方程解的概念★ 例3★ 例4 ★ 内容小结★ 习题9—1内容要点一、微分方程的概念我们把未知函数为一元函数的微分方程称为常微分方程. 类似地，未知函数为多元函数的微分方程称为偏微分方程，本章我们只讨论常微分方程. 常微分方程的一般形式是：,0),,,,()(='''n y y y y x F (1.5)其中x 为自变量，)(x y y =是未知函数.如果能从方程(1.5)中解出最高阶导数，就得到微分方程).,,,,()1()(-'=n n y y y x f y (1.6)以后我们讨论的微分方程组主要是形如(1.6)的微分方程，并且假设(1.6)式右端的函数f 在所讨论的范围内连续.如果方程(1.6)可表为如下形式：)()()()(1)1(1)(x g y x a y x a y x a y n n n n =+'+++-- (1.7)则称方程(1.7)为n 阶线性微分方程. 其中),(1x a ),(2x a , )(x a n 和)(x g 均为自变量x 的已知函数.不能表示成形如(1.7)式的微分方程，统称为非线性方程.在研究实际问题时，首先要建立属于该问题的微分方程，然后找出满足该微分方程的函数（即解微分方程），就是说，把这个函数代入微分方程能使方程称为恒等式，我们称这个函数为该微分方程的解. 更确切地说，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，有,0))(,)(),(),(,()(='''x x x x x F n ϕϕϕϕ则称函数)(x y ϕ=为微分方程(1.5)在区间I 上的解.二、微分方程的解微分方程的解可能含有也可能不含有任意常数. 一般地，微分方程的不含有任意常数的解称为微分方程的特解. 含有相互独立的任意常数，且任意常数的个数与微分方程的阶数相等的解称为微分方程的通解（一般解）. 所谓通解的意思是指，当其中的任意常数取遍所有实数时，就可以得到微分方程的所有解（至多有个别例外）.注：这里所说的相互独立的任意常数，是指它们不能通过合并而使得通解中的任意常数的个数减少.许多实际问题都要求寻找满足某些附加条件的解，此时，这类附加条件就可以用来确定通解中的任意常数，这类附加条件称为初始条件，也称为定解条件. 例如，条件(1.2)和(1.4)分别是微分方程(1.1)和(1.3)的初始条件.带有初始条件的微分方程称为微分方程的初值问题.微分方程的解的图形是一条曲线，称为微分方程的积分曲线.例题选讲微分方程的概念例1（E01）设一物体的温度为100℃，将其放置在空气温度为20℃的环境中冷却. 根据冷却定律：物体温度的变化率与物体和当时空气温度之差成正比，设物体的温度T 与时间t 的函数关系为)(t T T =，则可建立起函数)(t T 满足的微分方程)20(--=T k dt dT(1)其中k )0(>k 为比例常数. 这就是物体冷却的数学模型.根据题意，)(t T T =还需满足条件.100|0==t T (2)例2（E02）设一质量为m 的物体只受重力的作用由静止开始自由垂直降落. 根据牛顿第二定律：物体所受的力F 等于物体的质量m 与物体运动的加速度α成正比，即αm F =，若取物体降落的铅垂线为x 轴，其正向朝下，物体下落的起点为原点，并设开始下落的时间是0=t ，物体下落的距离x 与时间t 的函数关系为)(t x x =，则可建立起函数)(t x 满足的微分方程g dt xd =22其中g 为重力加速度常数. 这就是自由落体运动的数学模型.根据题意，)(t x x =还需满足条件.0,0)0(0===t dt dxx微分方程的解 例3（E03）验证函数kt C kt C x sin cos 21+=是微分方程)0(0222≠=+k x k dt xd的通解, 并求该微分方程满足初值条件0|,|00====t t dt dxA x 的特解. 解 求出题设函数的一阶及二阶导数:)1(,cos sin 21kt k C kt k C dtdx+-=).sin cos (11222kt k C kt k C k dt xd +-= 把它们代入题设微分方程, 得0)sin cos ()sin cos (212212≡+++-kt C kt C k kt C kt C k因此题设函数是微分方程的解. 又题设函数含有两个相互独立的任意常数, 而题设微分方程是二阶微分方程, 所以题设函数是微分方程的通解.将初值条件A x t ==0|代入通解kt C kt C x sin cos 21+=中得, 得;1A C = 将初值条件0|0==t dt dx代入（1）, 得,02=C于是, 所求的特解为.cos kt A x =例4 验证函数x C x y sin )(2+=(C 为任意常数)是方程0sin 2cot =--x x x y dx dy的通解, 并求满足初始条件0|2==πx y 的特解.解 要验证一个函数是否是方程的通解，只要将函数代入方程，看是否恒等，再看函数式中所含的独立的任意常数的个数是否与方程的阶数相同.将x C x y sin )(2+=求一阶导数,得dxdy,cos )(sin 22x C x x x ++= 把y 和dx dy代入方程左边得x x x y dxdysin 2cot --x x x x C x x C x x x sin 2cot sin )(cos )(sin 222-+-++=.0≡ 因方程两边恒等,且y 中含有一个任意常数,故x C x y sin )(2+=是题设方程的通解. 将初始条件02==πx y 代入通解x C x y sin )(2+=中，得C +=402π.42π-=C从而所求特解为.s i n 422x x y ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=π.。
-微分方程的基本概念
解 设曲线的y方 y程 (x)， 为则有
d y 2x. dx
(1) 微分方程
此外， y函 y(x)数 应满足条件
y(x) 2， x1
(2 ) 初始条件
将(1)式两边x关 积于 分，得
yy2 xd2 xx dx2 xC 2C
(3) 通解
将(2)代入 有(3)何，想得 法C？1, 故所求的曲线方程为
yxy2x12 1
特解
积分曲线（解的几何意义）
常微分方程解的几何图形称为它的积分曲线。
通解的图形是一族积分曲线。
特解是这族积分曲线中过某已知点的那条曲线。
y
yx2 1
yx2 C
• M0(1,2)
O
x
例2. 列车在平直路上以
的速度行驶, 制动时
获得加速度
求制动后列车的运动规律.
解: 设列车在制动后 t 秒行驶了s 米 , 即求 s = s (t) .
高阶线性常系数微分方程解法
特征值法 变量代换法
第二节 一阶微分方程
dy dx
f
y x
齐次方程
变量代换
dyfa1xb1yc1 dx a2xb2yc2 可化为齐次方程的方程
变量代换
dyf(x)g(y) dx 变量可分离方程
变量分离
dyp(x)y0 dx 一阶线性齐方程
dyp(x)yq(x)yn dx
伯努利方程
变量代换
常数变易
dyp(x)yq(x) dx 一阶线性非齐方程
dy dx
f
y x
齐次方程
解
y 2Cxxe2
Cex2 y 1 2
y 2x(y1) 2
y2xy1 y2xy1
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, 求该曲线所满足的微分方程 .
第一节 微分方程的基本概念
（用来确定任意常数的条件）： 4、初始条件 用来确定任意常数的条件）： 一阶微分方程的初始条件是 y x = x 0 = y 0 , 二阶微分方程的初始条件是
y
x = x0
= y0 , y ′
x = x0
′ = y0 ,
求微分方程满足初始条件的解的问题. 5、初值问题:求微分方程满足初始条件的解的问题. 一阶: 一阶
3、n 阶微分方程的一般形式为 F(x, y, y′, …, y(n)) = 0， ′ ， 是自变量， 是未知函数。 其中 x 是自变量， y 是未知函数。 例如 mv′(t) = mg – m v ′′ ( t ) ′
二、微分方程的解
代入微分方程后使其成为恒等式的函数。 代入微分方程后使其成为恒等式的函数。 1、微分方程的解： 微分方程的解：
有 将 y，y′ 及 y″ 代入原方程的左边， ， ′ ″ 代入原方程的左边， (5e – x - xe - x) + 2(- 4e – x + xe - x) + 3e – x – xe – x = 0， ， 满足原方程， 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. 所给二阶微分方程的解
1 1 x y′ − y = e , 2 2
y =e ∫
− P( x)dx
C + Q( x)e∫ P( x)dxdx. ∫
则
1 1 x P ( x ) = − , Q( x ) = e , 2 2
1 x 则 − ∫ P ( x )dx = ∫ dx = , e − ∫ P ( x )dx 2 2 x x − 1 x 2 ∫ P ( x )dx Q( x )e dx = ∫ e e dx = e 2 , ∫ 2
微分方程基本概念
differential equation).
例如：
dy 1, dx y xy ( y ),
(1.1) (1.2) (1.3)
( x y)dx ( x y)dy 0,
dx dt f 1 (t , x, y ) , dy f 2 (t , x, y ) dt
注1：判别一个微分方程是否线性，只要看其未知函数及 其各阶导数是否一次的即可，不需要考虑自变量的影响
5. 微分方程的解：
如果把已知函数
或函数矢量
及其导函数代
入相应的微分方程, 使得该微分方程在函数 的定义区间 I 上成为恒等式, 则称这种函数 为微分方程在区间 I 上的(显式)解. 这个区间 I 称为微分方程的解的定义区间.
I 上有恒等式 ( x) f ( x, ( x))
, 在它上面任一点
反之, 如果对于 D 中的任一条光滑曲线
处的切线斜率
刚好就是函数f (x, y) 在该点处的值
则此曲线就是方程的积分曲线.
2. 方向场
在 D 中每一点 ( x, y ) 处画上斜率为 f ( x, y) 的一个“小直线段”,
为该微分方程的阶数;
一般 阶常微分方程可写成如下隐方程形式
( n) F ( x, y, y ,, y ) 0
其中 F 是其变元的已知函数. 但在实际中常常讨论最高阶导数已解出的标准形式
y ( n) f ( x, y, y ,, y ( n1) ).
即方程的左边是未知函数的最高阶导数 (n 阶导数), 而方程的右边 为自变量、未知函数和未知函数低于 n 阶的导数的已知函数.
初值条件是指当自变量在某一给定点时, 未知函数以及它的
微分方程的基本概念
微积分Calculus微分方程的基本概念一问题的提出一曲线通过点，且在该曲线上任一点处的切线的斜率为，求这条曲线的方程.(,) x y)2,1(x2例一解2y =其中1x =时，设所求曲线为()y y x =x y 2='2y xdx =⎰即2,y x C =+求得1,C =所得曲线方程为2 1.y x =+这里是从所建立的含有未知函数导数的关系式x y 2='来解出未知函数的，这种含有未知函数导数的关系式称为微分方程，求解未知函数的过程称为解微分方程．二微分方程的定义1定义凡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;未知函数为多元函数，同时含有多元函数的偏导数的微分方程，称为偏微分方程;23x y y y e '''+−=2()0t x dt xdx ++=z x y x ∂=+∂22220u ux y ∂∂+=∂∂常微分方程本章仅研究一元函数的常微分方程,简称微分方程.例如偏微分方程联系自变量、未知函数以及未知函数的某些导数(或微分)之间的关系式．在微分方程中，未知函数及自变量可以不出现，但必须含有未知函数的导数(或微分)．实质三微分方程的阶微分方程中出现的未知函数的最高阶导数的阶数称为微分方程的阶。
例二是_________阶微分方程；3是______阶微分方程；2是______阶微分方程；1阶微分方程的一般形式：n ()(,,,,)0n F x y y y '=或()(1)(,,,,).n n y f x y y y −'=四微分方程的解如果某个函数代入微分方程后使其两端恒等，则称此函数为该微分方程的解．()(,(),(),,())0n F x x x x ϕϕϕ=且n 设有阶导数，()y x ϕ=()y x ϕ=则为该微分方程的解.例如22,(y x y x C C ==+为任意常数)xy 2='是该微分方程的解. 可见一个微分方程有无穷多个解．微分方程解的分类(1)通解:微分方程的解中含有独立的任意常数,且其个数与微分方程的阶数相同.阶微分方程n ()(,,,,)0n F x y y y '=通解的一般形式1(,,,,)0n x y c c Φ=或1(,,,)n y y x c c =通解并不一定包含微分方程的所有解.注意:微分方程：23dy y dx =通解为：27)(3C x y +=2()9x C y +'=223332()[]27()9x C y x C +=+=0y =显然也是解，但通解中由于找不到一个常数C ，0y =使得，所以通解中不包含。
微分方程基本概念
微分方程基本概念微分方程是数学中重要的概念，它在各个科学领域中都有广泛的应用。
本文将介绍微分方程的基本概念以及一些基本解法。
一、微分方程的定义微分方程是包含未知函数及其导数的方程。
形式上，微分方程可以表示为：F(x, y, y', y'', ..., y^(n)) = 0其中，x是自变量，y是未知函数，y', y'', ..., y^(n)是y的一阶到n阶导数，F是关于x、y、y'、y''等的函数。
二、微分方程的类型根据微分方程中未知函数的阶数，可以将微分方程分为常微分方程和偏微分方程两类。
常微分方程中的未知函数只与自变量的一个变量有关，而偏微分方程中的未知函数与自变量的多个变量有关。
常微分方程按照阶数又可以分为一阶微分方程、二阶微分方程等。
一阶微分方程中只包含一阶导数，表示为：dy/dx = f(x, y)二阶微分方程中包含一阶和二阶导数，表示为：d^2y/dx^2 = f(x, y, dy/dx)三、微分方程的解解微分方程的过程被称为求解微分方程。
根据微分方程的形式和特点，可以使用不同的解法。
1. 可分离变量法对于可分离变量的一阶微分方程，可以通过分离变量的方式求解。
将方程两边分开，然后进行积分，最后解出未知函数的表达式。
2. 齐次方程法对于形如dy/dx = f(x, y)/g(x, y)的一阶微分方程，如果f(x, y)和g(x, y)在全平面上具有相同的齐次性质，即对任意常数k，f(kx, ky) = k^mf(x, y)和g(kx, ky) = k^n g(x, y)，则可以使用齐次方程法求解。
3. 线性微分方程法对于形如dy/dx + P(x)y = f(x)的一阶线性微分方程，可使用线性微分方程法求解。
通过乘以一个积分因子将方程化为可积的形式，并通过积分求解。
4. 变量分离法、公式法、特征值法等对于不同类型的微分方程，还有其他一些特定的解法。
101微分方程的基本概念
数，则称其为方程的通解; 若n阶微分方程的解中不含有 任意常数，则称其为方程的特解.
例如 y Ce2x 是方程 y 2 y 0 的通解
y C1 sin x C2 cos x 是方程 y y 0 的通解 y e2x 是方程 y 2 y 0 的特解.
确定n阶微分方程通解中n个独立的任意常数时, 通
§10.1 微分方程的基本概念
一. 引例 二. 微分方程的概念
一. 引例
例1 已知曲线通过点(0,1)且在该曲线上的任一点 M ( x, y) 处的切线斜率为 2x, 求该曲线方程.
解 设所求曲线的方程为 y = f (x) , 根据导数的几何意 义知道, 未知函数 应满足关系式
dy 2x dx
其中 F 是 x, y , y', … , y (n) 的已知函数, x 为自变量, y
为未知函数, 且方程中一定含有 y(n).
n阶微分方程的另一种形式为
y(n) f ( x, y, y, , y(n1) )
其中 f 是 x , y , y', … , y ( n - 1) 的已知函数.
y
x0
y0 ,
y
x0
y1 ,
, y(n1) x0 yn1
微分方程解的图形是一条曲线, 叫做微分方程的积 分曲线. 初值问题的几何意义, 就是求微分方程的通 过点 ( x0 , y0 ) 的那条积分曲线.
例3 验证 函数 y = C1cosx + C2 sinx + x 是微分方程
解 设所求的函数关系为 Q = Q (p)
则由题意可知，它应满足
p
Q
dQ dp
初中数学知识归纳微分方程的基本概念和解法
初中数学知识归纳微分方程的基本概念和解法微分方程是数学中重要的分支之一，它在很多领域都有广泛的应用。
本文将介绍初中数学中微分方程的基本概念和解法。
一、微分方程的基本概念微分方程是含有一个或多个未知函数的方程，其中未知函数与其导数之间存在一定的关系。
微分方程可以分为常微分方程和偏微分方程两大类。
在初中数学中，我们主要学习常微分方程。
1.1 一阶微分方程一阶微分方程是指只含有未知函数的一阶导数的微分方程。
一阶微分方程的一般形式可以表示为dy/dx=f(x)，其中y是未知函数，x是自变量，f(x)是已知函数。
1.2 高阶微分方程高阶微分方程是指含有未知函数的高阶导数的微分方程。
高阶微分方程的一般形式可以表示为d^n y/dx^n=f(x)，其中y是未知函数，x是自变量，f(x)是已知函数，n为正整数。
二、微分方程的解法解微分方程的关键是确定未知函数的表达式，常用的解法有分离变量法、齐次法、一阶线性微分方程和二阶齐次线性微分方程等。
2.1 分离变量法对于一阶微分方程dy/dx=f(x)，如果可以将方程两边的变量分离到方程两侧，则可以通过积分的方式解得未知函数y的表达式。
具体步骤如下：- 将方程化为dy=f(x)dx的形式；- 将dy和dx分离到方程两侧；- 对方程两边同时积分，得到y的表达式；- 添加常数C，得到通解。
2.2 齐次法对于一阶微分方程dy/dx=f(x,y)，如果可以将方程通过变量代换化为dy/dx=g(x/y)的形式，则可以通过变量代换和分离变量的方式解得未知函数y的表达式。
具体步骤如下：- 令y=ux，其中u是关于x的函数；- 对x求导并代入方程，化简得到关于u和x的方程；- 将方程分离变量并积分，得到u的表达式；- 将u代回方程，得到y的表达式。
2.3 一阶线性微分方程一阶线性微分方程的一般形式是dy/dx+p(x)y=q(x)，其中p(x)和q(x)是已知函数。
解一阶线性微分方程的关键是构造一个积分因子，使得方程变为可积的形式。
第一节 微分方程基本概念
f ( x , y , y , , y
).
（2）微分方程的解：如果将一个函数代入微分方 程能使方程成为恒等式 , 这个函数就称这个微分 方程的解.
例如 y x 1和 y x C 都是
2 2
dy dx
2 x 的解 .
( 1 ) 含任意常数 C ; 微分方程的解有两种形式 ( 2 ) 不含任意常数 C .
故满足初始条件的特解
为 y e e
x
2x
思考： 设 C 1 , C 2 分别为任意常数
y C 1 e 3 C 2 e 是否 y 3 y 2 y 0的通解 ?
x x
y C 1 C 2 e e 是否 y 3 y 2 y 0的通解 ?
x 2x
2x
中不含任意常数,
故为微分方程的特解.
x
C 2e
2x
( C 1 , C 2 为任意常数
)
y 3 y 2 y 0的通解 , y ( 0 ) 0 , y ( 0 ) 1
并求方程满足初始条件 的特解 .
解 y C 1e 2 C 2e
x
2x
C 1 e x 4 C 2 e 2 x y
将 y , y , y 代入方程 y 3 y 2 y 0 左边 ,
y f ( x , y , y ) 二阶: y x x y 0 , y x x y 0 0 0
过定点且在定点的切线的斜率为定值的积分曲线.
例3
验证 y Cx ( C 为任意常数 )为方程 y
2
2y x
的通解 .
并求满足初始条件
y
微分方程的基本概念与解法
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适用范围：对于某些复杂的微分方程，通过代换可以将方程转化为更易 于解决的形式 步骤：选择适当的代换变量，将原方程中的未知函数和其导数表示为代 换变量的函数，从而简化方程 举例：对于形如dy/dx=f(x/y)的微分方程，可以通过令y=xu来将其转 化为关于u和x的方程
积分因子法
定义：积分因子 是使微分方程左 边成为全导数的 因子
添加标题
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判定方法：通过求解微分方程的解， 分析解的性质，如解的收敛性和稳 定性
应用：非线性微分方程的稳定性在 物理学、工程学、经济学等领域有 广泛应用
稳定性判据
定义：稳定性是指微分方程的解在初始条件下的行为 判据：如果微分方程的解在初始条件下的行为是收敛的，则称该解是稳定的 判断方法：通过分析微分方程的解的性质，如导数的符号等，来判断解的稳定性 应用：稳定性理论在物理学、工程学等领域有广泛应用
优缺点：步进法简单易行，但精度不易控制，需要选择合适的步长和迭代公式
微分方程的稳定性
线性微分方程的稳定性
定义：如果一个线性微分方程的解在某 个初始条件下保持恒定或随时间有规律 地变化，则称该微分方程是稳定的。
判别方法：通过计算微分方程的特征根或 利用Routh-Hurwitz定理来判断稳定性。
原理：基于泰勒级数展开， 通过迭代逼近精确解
定义：是一种用于求解常微 分方程初值问题的数值方法
步骤：包括预估、校正和更 新三个步骤
优点：精度高，稳定性好， 适用于多维问题
Hale Waihona Puke 步进法定义：通过逐步逼近的方法求解微分方程的数值解法
原理：将微分方程转化为一系列离散点上的代数方程，逐步求解
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。
微分方程的基本概念
例 3 验证:函数 x = C1 cos kt + C 2 sin kt 是微分
d2x 方程 2 + k 2 x = 0的解. 并求满足初始条件 dt dx x t = 0 = A, = 0 的特解. dt t = 0 dx 解 Q = − kC1 sin kt + kC 2 cos kt , dt 2 d x = − k 2C1 cos kt − k 2C 2 sin kt , dt 2 2 d x 将 2 和x的表达式代入原方程 , dt
2
y′ = xy ,
′′ + 2 y′ − 3 y = e x , y
( t + x )dt + xdx = 0,
∂z = x + y, ∂x
实质: 联系自变量, 实质: 联系自变量,未知函数以及未知函数的 某些导数(或微分)之间的关系式. 某些导数(或微分)之间的关系式.
分类1: 常微分方程, 偏常微分方程. 分类1 常微分方程, 偏常微分方程. 微分方程的阶: 微分方程的阶: 微分方程中出现的未知函数的最 高阶导数的阶数称之. 高阶导数的阶数称之. 分类2: 分类2: 一阶微分方程 F ( x , y , y′ ) = 0,
设y = ϕ( x )在区间 I 上有 n 阶导数 ,
F ( x , ϕ( x ), ϕ′( x ),L, ϕ( n ) ( x )) = 0.
微分方程的解的分类： 微分方程的解的分类： (1)通解: 微分方程的解中含有任意常数, (1)通解: 微分方程的解中含有任意常数,且任 通解 意常数的个数与微分方程的阶数相同. 意常数的个数与微分方程的阶数相同.
微分方程的基本概念
微分方程的基本概念微分方程是数学中重要的研究对象，它在自然科学、工程技术和社会科学等各个领域中有着广泛的应用。
本文将介绍微分方程的基本概念，包括微分方程的定义、分类、解、初值问题以及一些重要的定理和应用。
一、微分方程的定义微分方程是含有未知函数及其导数的方程。
一般形式为：$\frac{{dy}}{{dx}}=f(x,y)$。
其中，$y$是未知函数，$x$是自变量，$\frac{{dy}}{{dx}}$表示$y$关于$x$的导数，$f(x,y)$是已知函数。
微分方程描述的是函数与其导数之间的关系。
二、微分方程的分类根据微分方程中出现的未知函数的阶数和自变量的个数，微分方程可分为常微分方程和偏微分方程两类。
常微分方程中只涉及一个自变量，而偏微分方程中涉及多个自变量。
常微分方程可进一步分为线性微分方程和非线性微分方程。
线性微分方程中未知函数及其导数的次数均为一次，形如$\frac{{d^ny}}{{dx^n}}+a_1 \frac{{d^{n-1} y}}{{d x^{n-1}}} + \ldots + a_n y =f(x)$。
非线性微分方程中未知函数及其导数的次数不一定为一次。
偏微分方程根据方程中涉及到的导数阶数和未知函数的类型又可以进一步分为椭圆型、抛物型和双曲型方程。
三、微分方程的解求解微分方程的过程称为解微分方程。
解分为显式解和隐式解。
显式解是能直接从微分方程中解出未知函数表达式的解。
例如，对于一阶线性微分方程$\frac{{dy}}{{dx}}+P(x)y=Q(x)$，可以通过分离变量、定积分等方法求得$y$的显式解。
隐式解是无法用解析式表示的解。
例如，二阶非线性微分方程$y''+y^2=0$的解无法用初等函数表示，只能通过级数或数值方法求得近似解。
四、初值问题初值问题是求解微分方程时常见的问题形式。
给定微分方程和一个特定的条件，例如$y(0)=y_0$，即在$x=0$处给出函数$y$的取值，然后求出该条件下的解。
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y e x (1 x)e x (2 x)e x 代入原方程： 左边 (2 x)e x 2(1 x)e x xe x
微积分十①
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例2 求通解： xdx ydy
解：两边积分得： xdx ydy
1 x2 1 y2 1 C
2
22
故原方程的通解为： x2 y2 C
结论1: 通解既可用显函数表示,也可用隐函数表示.
微积分十①
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2.2、可分离变量的微分方程
⑴形式： dy f ( x)g( y) dx
y xe x ——特解
y Ce x ——既非通解，也非特解，是个解。 y 0 ——奇解（但不是特解，不研究）
微积分十①
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3.2、通解与特解 ⑴ 通解： 微分方程的解中含有任意常数，这些常数
相互独立(即不能合并了)，且个数与微分方程的 阶数相同，这样的解称为微分方程的通解。 ⑵ 特解：确定了通解中任意常数的解。
ln y ln C x
yC x
微积分十①
23/31
例4 求方程
解： dy dx
y
x(1
1 y2
xy(1
1
x12)满y足2 初始条件y(1)=2的特解.
x2) y
分离变量
y 1 y2
dy
1 x(1
1 x2 ) dx ( x
1
x x
2
)dx
积分得： 1 ln(1 y2 ) ln x 1 ln(1 x2 ) 1 ln C
正规型
如： dy f ( x, y) F ( x, y) dx g( x, y)
下面只讨论一阶微分方程中最常见的几种类型及 解法,包括：可分离变量的微分方程、齐次微分方程、 线性齐次微分方程、线性非齐次微分方程。
微积分十①
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2.1、已分离变量的微分方程
⑴形式： f (x)dx g( y)dy 或 f1(x)dx f2( y)dy 0
2
2
2
故通解为: (1 x2 )(1 y2 ) Cx2
将x=1,y=2代入通解 得：C=10 故所求特解为： (1 x2 )(1 y2 ) 10x2
微积分十①
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例5 已知某商品的需求量Q对价格p的弹性为ep=-0.02p,
且该商品最大需求量为240,求需求函数Q=Q(p).
y C1e x C2e x C2e x C2 xe x (C1 2C2 )e x C2 xe x 代入原方程： 左边 (C1 2C2 )e x C2 xe x 2(C1 C2 )e x 2C2 xe x
C1e x C2 xex 0 右边 ∴解的y线性C1组e x合也C2是xe解x 是均原何为方y区=解程0别，也？的有是解解. 。
故 f ( x) 2(e x 1)
注：⑴积分方程求导后化为微分方程; ⑵注意隐条件.
微积分十①
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3.1、齐次方程的引入
⑴复习:证明函数⑴f(x,y)=50xy2;
⑵
f(x, y)
x x
y y
都是齐次函数,并说明是几次齐次函数.
解：⑴∵f(tx,ty)=50(tx)(ty)2=50t3xy2=t3f(x,y)
即变量x的函数和微分与变量y的函数和微分已分
离在等式两边（或已分离开来）. ⑵解法：直接积分。
例1、求通解：(2x 1)dx dy 0
解：两边积分 (2x 1)dx dy 0dx
x2 x y C1 故原方程的通解为： y x2 x C (C C1 )
微积分十①
微 Basic concept of differential equations
积
分
电 一、一阶微分方程的形式
子
教 二、可分离变量的微分方程
案
三、齐次方程
四、一阶线性微分方程
17/31
⑴一般形式: F(x, y, y ) =0
⑵正规型: y= f( x, y )
可化为
⑶微分型: f(x,y)dx+g(x,y)dy=0
由题意得：dy 2x，且x 1, y 2 dx
两边对x求积分：
dydx dx
2
xdx
即 y=x2+C
将x=1,y=2代入，得：2=1+C
即 C=1 故所求曲线为：y=x2+1
微积分十①
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2.1、微分方程 定义1 含有未知函数的导数(或微分) 的方程。
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?,
故原方程的通解为
y x
微积分十①
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说明: ⑴在解微分方程时,对形如
1 x
dx
1 y
dy
…
积分,可直接得lnx,lny,…不必加绝对值；
⑵若积分后出现对数,则可将任意常数写成
lnC 的形式,以利化简.
例3 解题过程可简化为：
先分离变量：1 dy 1 dx
y
x
再两边积分 ln y ln x lnC
M2(x)
N1( y)
微积分十①
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例3 解微分方程 dy y
dx x
解:先分离变量， 1 dy 1 dx
y
x
再两边积分
1 y
dy
1 x
dx
ln y ln x C1 ln xy C1
xy eC1 C2
C
xy C2 C
C
y x
特解可以从通解中通过某个条件求出常数得到特解
称为定解条件，也称为初始条件
一般地，n阶微分方程就有n个定解条件
微积分十①
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求特解步骤：先求通解，代入初始条件，确定通解
中任意常数的值，可得特解。
如引例 dy 2x dx
求解得： y x2 C,
微分方程 微分方程的通解
由 x 1时, y 2 求得C 1,
t0
dt t0
解
dx dt 2C1 sin 2t 2C2 cos 2t,
d2x dt2 4C1 cos 2t 4C2 sin 2t,
将
d2 dt
x
2
和x的
表达式
代
入原方
程,
微积分十①
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4(C1 cos2t C2 sin2t) 4(C1 cos2t C2 sin2t) 0.
定解条件
所求曲线方程为 y x2 1 .
微分方程 的特解
微积分十①
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3.3、微分方程解的几何意义
解的图像: 微分方程的积分曲线. 通解的图像: 积分曲线族.
初值问题:求微分方程满足初始条件的特解的问题.
一阶:
y f (x, y)
y
x
x0
y0
过定点的积分曲线;
二阶:
0 右边
∴ y xe x 是原方程的解.
微积分十①
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例1 验证下列函数都是微分方程 y －2y+y=0 的解.
(1) y Ce x; (2) y xe x; (3) y C1e x C2 xe x . 解: (3) y C1e x C2 xe x ,
y C1e x C2e x C2 xe x (C1 C2 )e x C2 xe x
y f ( x, y, y)
y
x
x0
y0 ,
yx x0
y0
过定点且在定点的切线的斜率为定值的积分曲线.
微积分十①
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例3 验证:函数 x C1 cos 2t C2 sin2t 是微分
方程
d2x dt 2
4x
0
的解.
并求满足初始条件
x 2, dx 0 的特解.
一阶微分方程
y 3 y y sin x 二阶微分方程 n阶微分方程的一般形式为：
F(x，y，y，y，…，y(n))=0
微积分十①
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2.3、微分方程的分类 分类1: 常微分方程, 偏微分方程.
分类2: 一阶微分方程 F ( x, y, y) 0, y f ( x, y);
y? ?( x)
微积分十①
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2.1、微分方程
定义1 含有未知函数的导数(或微分) 的方程。
如：( x2 y2 )dx y dy 0 x
y 3xy 5 dy x y dx x y
未知函数是一元 函数的微分方程 常微分方程
y 3 y y sin x
或 M1( x)N1( y)dx M2( x)N2( y)dy 0
⑵解法：先分离变量，再两边积分即可。
1 dy f ( x)dx g( y)
1 g( y)
dy
f
( x)dx
M1( x) dx N2( y) dy 0
M2(x)
N1( y)
M1( x) dx N2( y) dy 0dx
故 x C1 cos 2t C2 sin2t 是原方程的解.