微分方程解的概念和定解条件
微分方程的基本概念
解 将 y 1( x2 4) 4
y 1 x 2
代入方程 y' ( x 2 4 ) 2xy
恒等式成立 且满足 y( 0 ) 1 所以 y 1 ( x 2 4 ) 是该初值问题的解
4
微分方程 微分方程的解 微分方程的阶 初始条件 积分曲线
通解 特解
1．试说出下列各微分方程的阶数： （1） x( y ')2 3 yy ' x2 0
（2） xy y xe x 0
（3） y 2xyy x 0 （4） ( x y)dx ( x y)dy 0
2．指出下列各题中的函数是否为所给微分方程的解：
（1） y '' y 0
（2） y y2 x2 （3） y' 2 y 0
y 3sin x 4cos x
y 1 x
（1）阻力的大小与下落速度成正比
（2）阻力的大小与下落速度的平方成正比
解 y表示冰雹的速度， y 表示冰雹的下落速度 则
（1）设阻力 f ky(k 0)根据牛顿第二定律建立方程
my mg ky
（2）设阻力 f k( y)2 (k 0) ( y 0)
根据牛顿第二定律建立方程
my mg ky2
而 y ex是特解。
【注】 通解满足两个条件：1) 是解；2) 含有任意常数。
定义9.5 用来确定微分方程通解中任意常数的条件 称为微分方程的初始条件。
一 阶方程的初始条件(或初值条件): y( x0 ) y0 二阶方程的初始条件 y( x0 ) y0 y( x0 ) y0
求微分方程满足某个初始条件的解的问题称为
(2) ( y 3 5xy)dx ( x y)dy 0
(3) xy''' xy'2 y sin x (4) y'''2 y''3 y'4 y e x
微分方程的定解问题与解的存在唯一性
微分方程的定解问题与解的存在唯一性微分方程是数学中一个重要的分支，它研究的是描述变化的规律。
在微分方程中，我们常常遇到的一个问题是定解问题，即给定一个微分方程和一些初始条件，我们需要找到满足这些条件的解，并且确定这个解的存在性和唯一性。
本文将围绕这个问题展开讨论。
一、微分方程的基本概念在开始讨论定解问题之前，我们先来回顾一下微分方程的基本概念。
微分方程是包含未知函数及其导数的方程，通常表示为$$F(x, y, y', y'', \ldots, y^{(n)}) = 0$$其中，$x$ 是自变量，$y$ 是未知函数，$y', y'', \ldots, y^{(n)}$ 分别表示 $y$ 的一阶、二阶、$\ldots$、$n$ 阶导数。
微分方程的解是满足方程的函数。
二、定解问题的形式化描述定解问题是指给定一个微分方程和一些边界条件或者初始条件，要求找到满足这些条件的解。
一般来说，定解问题可以分为两类：初值问题和边值问题。
1. 初值问题初值问题是指给定微分方程在某一点的函数值和导数值，要求找到满足这些条件的解。
数学上，初值问题可以表示为：$$\begin{cases} F(x, y, y', y'', \ldots, y^{(n)}) = 0 \\ y(x_0) = y_0 \\ y'(x_0) = y_0' \\ \ldots \\ y^{(n-1)}(x_0) = y_0^{(n-1)} \end{cases}$$其中，$x_0$ 是给定的初始点，$y_0, y_0', \ldots, y_0^{(n-1)}$ 是给定的初始条件。
初值问题的解是满足方程和初始条件的函数。
2. 边值问题边值问题是指给定微分方程在一段区间的函数值，要求找到满足这些条件的解。
数学上，边值问题可以表示为：$$\begin{cases} F(x, y, y', y'', \ldots, y^{(n)}) = 0 \\ y(a) = y_a \\ y(b) = y_b\end{cases}$$其中，$a$ 和 $b$ 是给定的区间端点，$y_a$ 和 $y_b$ 是给定的边界条件。
微分方程的解概念
微分方程的解概念
微分方程的解是指能够使方程成立的函数或函数族。
具体来说，对于一个微分方程，存在着一类函数（或函数族），当这些函数（或函数族）被代入方程时，方程的等式成立。
这些函数（或函数族）就被称为微分方程的解。
微分方程的解可以分为通解和特解两种情况：
1. 通解：通解是指包含了所有特解的解。
对于一阶线性常微分方程，通解通常含有一个任意常数；对于二阶线性常微分方程，通解通常含有两个任意常数。
通解可以用来表示该微分方程的所有解。
2. 特解：特解是指微分方程的一个特定解。
对于某些特殊情况或给定的初值条件，可以通过求解微分方程来得到特解。
特解是通解中的一种特殊形式，可以通过添加特定的条件来得到。
在一些特殊情况下，微分方程的解可能不是函数，而是一个等式或一个曲线。
这种情况下，解可以用来描述方程对应的关系式或曲线。
总之，微分方程的解是指能够满足方程的函数或函数族，通解包含了所有的特解，而特解是一种特定的解。
4-1微分方程的基本概念
.
解法：1）换元 令 u （
y x
, 则 y xu ,
对 x 求导 , 有 y u x u
（2）代入方程，得 u u x ( u )
（3）分离变量，按1解之。
返回
微积分
第四章
微分方程
例3、解方程：
( 1 ) x y y (ln y ln x ) ( 2 ) xy dy dx x
线性 : 指关于 y , y 是一次的 .
若 Q ( x ) 0 , 则称方程为齐次的 否则 , 称它为非齐次的 .
;
返回
微积分
解法： （1）常数变易法
第四章
微分方程
先解齐次方程： y P ( x ) y 0
dy y
P ( x ) dx
ln y
P ( x ) dx ln C P ( x ) dx
,则
1
dz dx
(1 n ) y dz
n
dy dx
dy dx
1 n dx
1 dz P ( x )z Q ( x )
（3）代入方程，得
1 n dx
（4）按2的情形解之。
返回
微积分
例4、解方程：
y y 2 x y.
第四章
微分方程
5、其它方程 指通过变换或换元可化为前面四种情形的方程。 例5、解方程：
例1、解方程：
( 1 ) y 2 xy
第四章
微分方程
xydx ( x 2 1 ) dy 0 (2) y(0) 1
注意：
( 1 )中 dy y ln y不加常数 , 且 2 xdx 积出后加 ln C ,
微分方程的定解条件与特殊解法
定义：在定解区 间的闭区间端点 上，微分方程的 解必须满足一定 的连续性条件。
类型：对于一阶 微分方程，连续 性条件包括自然 边界条件、周期 边界条件等。
作用：连续性条 件是保证微分方 程解的连续性和 物理意义的重要 条件。
应用：在解决实 际问题时，需要 根据具体问题的 性质和要求，选 择适当的连续性 条件。
PART THREE
定义：欧拉方法是微分方程数值解法的一种，通过离散化微分方程，用差分代替微分，得到离 散化的数值解。
原理：利用已知的初值条件，逐步推算出微分方程的解在各个离散点上的近似值。
步骤：先确定初始值，然后按照一定的步长逐步计算出各个离散点上的近似解。
优缺点：欧拉方法简单易懂，易于实现，但精度较低，稳定性较差。
描述生物系统的动态行为
生理学和病理学中的数学模型
添加标题
添加标题
药物设计和药物动力学
添加标题
添加标题
医学影像和信号处理
汇报人：XX
优点：计算简单、易于编程实现、精度可控等。
PART FOUR
力学：描述物体运动规律，如万有引力定律、牛顿第二定律等。 电磁学：解释电磁场的变化规律，如麦克斯韦方程组等。 热学：研究热量传递规律，如热传导方程等。 波动：描述波动现象，如波动方程等。
航空航天：飞行器设计和优化中的气动动力学方程求解 机械工程：机器人运动轨迹规划和控制算法的微分方程求解 化学工程：化学反应动力学模型和传递过程的动力学方程求解 交通工程：交通流理论和车辆动力学的微分方程求解
注意事项：需要满 足一定的条件才能 使用分离变量法
定义：通过引入新的变量来简化微分方程的形式，从而求解微分方程的方法。 适用范围：适用于形式较为复杂的微分方程，特别是难以直接求解的方程。 常用方法：常见的变量代换法包括三角代换、指数代换等。 实例：通过变量代换法，可以将一些复杂的微分方程转化为容易求解的形式。
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。
微分方程的定解条件与特解求解
微分方程的定解条件与特解求解微分方程是数学中的重要概念，它研究函数与其导数（或者高阶导数）之间的关系。
在解微分方程时，我们需要确定定解条件，并寻找满足特定条件的特解。
一、定解条件的意义定解条件是指在解微分方程时给出的附加条件，它起到确定特解的作用。
通常，微分方程本身并不能唯一确定解，而是存在无穷多个解，因此我们需要定解条件来锁定解的形式。
定解条件的设置可以包括初始条件和边界条件两种情况。
1. 初始条件：当我们需要求解一阶微分方程时，通常需要给出一个初始条件。
初始条件是指在某一点或某一区间内给出函数与导数的初值。
通过这个初值，我们可以确定特解在指定区间内的形式。
举例来说，假设我们要求解一阶线性微分方程dy/dx = 2x，可以通过给出一个初始条件y(0) = 1来确定特解。
在这种情况下，我们可以通过积分得到特解y = x^2 + 1。
2. 边界条件：边界条件常在求解偏微分方程时使用。
它是指在某一边界上给出函数的值或导数的值。
通过边界条件，我们可以确定满足这些条件的特解。
边界条件也可以分为两类：第一类边界条件和第二类边界条件。
举例来说，假设我们要求解二阶波恩-奥伽尔德方程∂^2u/∂x^2 +∂^2u/∂y^2 = 0，在一个矩形区域上给定边界条件u(x,0) = f(x)，u(x,b) = g(x)，u(0,y) = h(y)，u(a,y) = k(y)。
通过这些边界条件，我们可以确定在指定矩形区域内满足边界条件的特解。
二、特解的求解在确定了定解条件后，我们可以根据微分方程的类型和求解方法来寻找特解。
1. 可分离变量法：对于一些可分离变量的微分方程，我们可以通过将变量分离，分别对两边进行积分，最后得到特解。
举例来说，对于可分离变量的一阶微分方程dy/dx = f(x)g(y)，我们可以将方程变形为dy/g(y) = f(x)dx，然后对两边积分求解。
2. 线性微分方程：对于一阶线性微分方程和高阶线性常系数微分方程，我们可以使用特殊的求解方法，如常数变易法、Laplace 变换等，来得到特解。
微分方程定解问题的基本概念
微分方程定解问题的基本概念微分方程是数学中的一个重要分支，它用来描述物理、经济、生物等学科中的现象和问题。
微分方程定解问题则是微分方程研究的重点，它对于解决实际问题具有非常重要的作用。
一、微分方程的基本概念微分方程是描述变量之间的变化关系的方程，其形式通常为：y′ = f(x, y)其中y′ 表示 y 对 x 的导数，f(x, y) 表示 x 和 y 的函数关系。
微分方程的解是一组函数，它满足微分方程和附加条件（称为初值条件或边界条件）。
二、定解问题的基本概念定解问题是指在微分方程中确定初始条件或边界条件，求得微分方程的解。
定解问题可以分为初值问题和边值问题。
初值问题是在一个点（通常为 x0）给出一个函数值（通常为y(x0)）和其导数值（通常为y′(x0)），求解函数在另一点的取值。
初值问题通常用初值问题解法求解。
边值问题是在一段区间内给出一个函数值和其导数值，求解函数在该区间的取值。
边值问题通常用曲线拟合法或数值法求解。
三、常见的定解问题常见的定解问题包括：1.一阶常微分方程的初值问题。
例如：y′ = f(x, y), y(x0) = y02.一阶常微分方程的边值问题。
例如：y′ = f(x, y), y(a) = ya, y(b) = yb3.二阶常微分方程的初值问题。
例如：y′′ = f(x, y, y′), y(x0) = y0, y′(x0) = y0′4.二阶常微分方程的边值问题。
例如：y′′ = f(x, y, y′), y(a) = ya, y(b) = yb四、定解问题的应用定解问题在物理、工程、金融等领域中有广泛的应用。
例如：1.物理学中的定解问题：在自然界中的各种物理现象中，微分方程定解问题经常被用于对各种现象和性质的研究和分析。
2.工程学中的定解问题：设计和分析各种工程系统时，微分方程定解问题经常被用于模型的建立和计算。
3.金融领域中的定解问题：在金融领域中，微分方程定解问题被用来分析各种金融产品的产生和变化，预测市场走势等。
微分方程定解问题解析
微分方程定解问题解析微分方程是数学中的一种重要工具，用于描述自然界中的很多现象和规律。
在微分方程中，定解问题是一个常见的研究对象，它要求在给定的边界条件下，找到满足微分方程的特解。
本文将对微分方程定解问题进行详细解析，并讨论求解定解问题的一些常见方法和技巧。
1.微分方程的类型微分方程可以分为常微分方程和偏微分方程两大类。
常微分方程中，未知函数只依赖于一个变量，而偏微分方程中，未知函数依赖于多个变量。
2.定解问题的定义定解问题是给定一个微分方程和一组边界条件，要求找到满足这些条件的特解。
边界条件可以是函数在某个点上的给定值，或者是函数的导数在某个点上的给定值。
3.常见的定解问题类型常见的定解问题类型包括：3.1. 初值问题：在微分方程中给定函数在某点上的值，求解满足该条件的特解。
3.2. 边值问题：在微分方程中给定函数在多个点上的值，求解满足这些条件的特解。
3.3. 自由边值问题：在微分方程中给定函数在某些点上的值，以及函数的导数在另外一些点上的值，求解满足这些条件的特解。
4.求解定解问题的方法求解定解问题的方法有很多种，下面介绍几种常用的方法。
4.1. 分离变量法：对包含未知函数及其导数的微分方程两边进行适当的变换，将未知函数和其导数分离到方程的两边，最后通过积分得到解。
4.2. 线性微分方程方法：对于一阶线性微分方程，可以通过乘以适当的积分因子，将其转化为可积的形式，并求解。
4.3. 变量替换法：通过对未知函数和自变量的合适替换，将原微分方程转化为更简单的形式，再进行求解。
4.4. 数值方法：对于复杂的微分方程，常常无法通过解析方法求解，此时可以利用数值计算方法，如欧拉法、龙格-库塔法等，来近似求解微分方程。
5.案例分析为了更好地理解微分方程定解问题的解析过程，考虑一个具体的例子。
假设有一个一阶常微分方程：dy/dx = x，边界条件为y(0) = 1。
首先，我们可以使用分离变量法，将方程变形为 dy = xdx。
微分方程的基本概念一阶微分方程
两端积分 dy (2x 1)dx,
得： y x2 x C 为所求通解.
例2 求微分方程 xdx ydy 0 的通解
解 分离变量 xdx ydy
两端积分 xdx ydy,
1 2
x2
1 2
y2
C1
所求曲线方程为 y x2 1 .
二、微分方程的定义
3/18
1、微分方程:
凡含有未知函数的导数或微分的方程叫微分方程.
方
程代微数分方方程程------未未知知的的是是一一个个数函, 求数,x求y?,
y? ?( x)
例 y 2x
y 2 y 3 y e x ,
一、可分离变量的微分方程 即f（x，y）是
可分离变量的
一般形式 y f ( x) g( y)
解法——分离变量，直接积分。
解法：1、分离变量。将变量x的函数和微分 13/18 与变量y的函数和微分分离在等式两边
2、然后积分。
例1 求解微分方程 (2x 1)dx dy 0 的通解.
(2)特解: 确定了通解中任意常数数值的解. 通解：通用的解，含有任意常数； 特解：特殊的解，不含有任意常数
7/18
例2 验证下列函数都是微分方程y-2y+y=0的解.
⑴ y=Cex; ⑵ y=xex ; ⑶ y=C1ex+C2xex .
既不为通解， 也不为特解， 称为个解
为特解
为通解
特解可以从通解中通过某个条件求出常数得到特解
将
d2 dt
x
2
和x的表达式代入原方程
,
10/18
各种 微分方程的概念及其解法
第九章微分方程第一节基本概念一.解释下列名词术语1．微分方程：含有未知函数的导数（或微分）的方程.注意：（1）微分方程的一般形式：，在这个方程中是自变量，是的未知函数，是对的一阶、二阶、n阶导数；（2）方程中未知函数及自变量的记号可以不出现，如：；但未知函数的导数则必须出现.2.微分方程的阶：微分方程中所含的未知函数的最高阶导数的阶数.如：是一阶是二阶是n阶3.微分方程的解：代入微分方程能使方程成为恒等式的函数.例如：是的解.4.微分方程的通解：n阶微分方程的含有n个独立的任意常数的解.例如：是的通解；但是的解，而非通解.注意：这里要说明一下“两个常数独立”的含义----即对于任意给定的不同的的取值，则应得到不同的解，则称两个常数是互相独立的.之所以不是的通解，就是因为不是互相独立的.比如：取或者都可得到解.5.微分方程的初始条件：用来确定通解中的任意常数的一种定解的条件.一阶微分方程的初始条件通常为二阶微分方程的初始条件通常为例如：已知是的通解，可由初始条件通常为。
初始条件的个数与微分方程的阶数相同。
6.微分方程的特解：通解中所含的所有任意常数都确定后的解。
比如：是的满足初始条件的特解。
7.积分曲线：微分方程的解的图形（特解是一条积分曲线；通解是一组积分曲线）二。
用微分方程求解实际问题中的未知函数的步骤：1.建立微分方程和初始条件（难点）；------这通常使一部分同学感到为难，因为它除了需要数学知识之外，还往往要用到力学、物理学、化学、电学、工程技术等方面的知识，甚至还要用到语文的知识。
2.求通解；3.求特解。
我们这一章的重点是：给定一个微分方程，如何求其通解或特解.第二节一阶微分方程一.可分离变量的微分方程求解微分方程有一个特点：就是“对号入座”,什么样的微分方程，就用什么方法去解决,这几乎成了一个固定的格式.因此，判定所给的方程是什么类型就是首要问题。
这是本章的特点.今天，就给大家介绍一种最简单的一阶微分方程：可分离变量的微分方程.1.引例求解解：因为，所以是是的一个原函数。
微分方程的概念
3 又由于已知曲线过点 (1, 2)，代入上式，得 C . 2 3 1 所以，求此曲线的方程为 x . 2 y
一般地，微分方程的每一个解都是一个一元
函数 y = y(x) ， 其图形是一条平面曲线，我们称 它为微分方程的积分曲线. 通解的图形是平面上的
一族曲线，称为积分曲线族， 特解的图形是积分 曲线族中的一条确定的曲线. 这 就 是 微 分 方 程 的 通解与特解的几何意义.
(3) mv(t) = mg - kv(t)；
1 2 y 1 y ; ( 4) a d 2q g (5) 2 sinq 0 ( g , l 为常数). dt l 微分方程中出现的未知函数最高阶导数的阶数，
称为微分方程的阶. 例如，方程 (1) - (3) 为一阶微 分方程，方程 (4) - (5) 为二阶微分方程. 通常，n 阶微分方程的一般形式为 F(x, y, y, , y(n)) = 0，
第五模块
第一节
微分方程
微分方程的基本概念
一、微分方程 二、微分方程的解
第五模块
第一节
微积分学的应用
微分方程的基本概念
一、微分方程 二、微分方程的解
一、微分方程
定义 1 凡含有未知函数导数 (或微分) 的方程， 称为微分方程，有时简称为方程，未知函数是一元 函数的微分方程称做常微分方程， 未知函数是多元 函数的微分方程称做偏微分方程. 本教材仅讨论常微 分方程，并简称为微分方程. 例如，下列方程都是微分方程 (其中 y, v, q 均为 未知函数). (1) y= kx, k 为常数； (2) ( y - 2xy) dx + x2 dy = 0；
一个微分方程与其初始条件构成的问题，称为
初值问题. 求解某初值问题，就是求方程的特解.
微分方程的概念
100x
(4 )x y 5 y 3 x y c o s2x三阶
一
、
微 分
例2：指出下列微分方程的阶数。
方 程
(5)xdxy2dy0 一阶
的 概
(6)y8y4x41 二阶
念
(7)yey x2
一阶
(8)y3yx2y1 二阶
一
、 微
（三）. 分类
分 方
分类3.线性与非线性方程：
程 当微分方程中所含的未知函数及其各阶导数全是一次幂 的 (不含乘积)时，微分方程就称为线性微分方程.
(3)dycosxdx
(4)
d2y dx 2
1
x
一
、
微 （三）. 分类
分
方 分类2:微分方程的阶
程 的
微分方程中出现的未知函数最高阶导数的阶数，
概 称为微分方程的阶.
念 通常，n 阶微分方程的一般形式为
F(x, y, y, , y(n)) = 0，
其中 x 是自变量， y 是未知函数，F(x, y, y, , y(n)) 是已知函数，而且一定含有 y(n).
yy x
y2xy3yex
dy 6 y xy2 dx x
yxyy2
一
、
微 分
(三). 分类
方 分类1:按自变量的个数分
程
的 概
常微分方程.
念
y x
dy xy dx
偏微分方程.
z x y x
本章内容
一
、
微 分
例1：下列方程中，哪些是微分方程？哪些不是？
方
程 的
(1)y4y3y1
概
念 (2)y24y30
概 否则为非线性微分方程。 念
《高等数学》第七章 微分方程
曲线积分
1.两类曲线积分的基本计算法 2.格林公式及其应用 3.平面曲线积分与路径无关的条件,二元函数的全微 分求积
曲面积分
1.两类曲面积分的基本计算方法 2.高斯 ( Gauss )公式(p229定理1,p231例1,2 P236.1.作业题.p247.4(2)(3))
2.应用 (几何应用:空间曲线的切线与法平面(p94例4), 曲面的切平面与法线(p99例6).
多元函数的极值:无条件极值(p110定理1.2例4), 条件极值(p115.拉格朗日乘数法,p116例8))
第十,十一章.多元函数积分学(40)%
重积分
1.计算二重积分( 直角坐标, 极坐标),交换积分次序
(2) 求出特征方程的两个根 r1 与 r2；
(3) 根据特征方程的两个根的不同情况,按照下列规 则写出微分方程的通解
特征方程的两个根r1 ，r2
微分方程的通解
两个不相等的实根 r1，r2
y C1er1x C2er2x
两个相等的实根 r1 r2
y (C1 C2 x)er1x
一对共轭复根 r1,2 i y ex (C1 cos x C2 sin x)
y(x0 ) y0 , y(x0 ) y0 , , y(n1) (x0 ) y0(n1)
引例1 通解:
dy dx
2x
y x1 2
引例2
y x2 C
d2y dx2
0.4
s t0 0 ,
ds dt
t0 20
s 0.2t 2 C1t C2
特解: y x2 1
s 0.2t 2 20t
小结 y py qy f ( x)
通解 y Y y* c1 y1 c2 y2 y*
微分方程及其解定义
微分方程什么是微分方程？它是怎样产生的？这是首先要回答的问题.300多年前，由牛顿(Newton,1642-1727)和莱布尼兹(Leibniz,1646-1716)所创立的微积分学，是人类科学史上划时代的重大发现，而微积分的产生和发展，又与求解微分方程问题密切相关.这是因为，微积分产生的一个重要动因来自于人们探求物质世界运动规律的需求.一般地，运动规律很难全靠实验观测认识清楚，因为人们不太可能观察到运动的全过程.然而，运动物体(变量)与它的瞬时变化率(导数)之间，通常在运动过程中按照某种己知定律存在着联系，我们容易捕捉到这种联系，而这种联系，用数学语言表达出来，其结果往往形成一个微分方程.一旦求出这个方程的解，其运动规律将一目了然.下面的例子，将会使你看到微分方程是表达自然规律的一种最为自然的数学语言.例1 物体下落问题设质量为m的物体，在时间t=0时，在距地面高度为H处以初始速度v(0) = v0垂直地面下落，求此物体下落时距离与时间的关系.解如图1-1建立坐标系，设为t时刻物体的位置坐标.于是物体下落的速度为加速度为质量为m的物体，在下落的任一时刻所受到的外力有重力mg和空气阻力，当速度不太大时，空气阻力可取为与速度成正比.于是根据牛顿第二定律F = ma (力=质量×加速度)可以列出方程(·= ）(1.1) 其中k ＞0为阻尼系数，g是重力加速度.(1.1)式就是一个微分方程，这里t是自变量，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(1.2)将上式对t积分两次得(1.3)其中和是两个独立的任意常数，它是方程(1.2)的解.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与一个自变量有关，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.例如下面的方程都是常微分方程（1.4）（1.5）(·=)（1.6）(′=)（1.7）在一个常微分方程中，未知函数最高阶导数的阶数，称为方程的阶.这样，一阶常微分方程的一般形式可表为（1.8）如果在(1.8)中能将y′解出，则得到方程（1.9）或（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.n 阶隐式方程的一般形式为（1.11）n 阶显式方程的一般形式为(1.12)在方程(1.11)中，如果左端函数F对未知函数y和它的各阶导数y′,y″,…,y(n)的全体而言是一次的，则称为线性常微分方程，否则称它为非线性常微分方程.这样，一个以y 为未知函数，以x为自变量的n阶线性微分方程具有如下形式：（1.13）显然，方程(1.4)是一阶线性方程；方程(1.5)是一阶非线性方程；方程(1.6)是二阶线性方程；方程(1.7)是二阶非线性方程.通解与特解微分方程的解就是满足方程的函数，可定义如下.定义1.１设函数在区间I上连续，且有直到n阶的导数.如果把代入方程(1.11)，得到在区间I上关于x的恒等式，则称为方程(1.11)在区间I上的一个解.这样，从定义1.1可以直接验证：1. 函数y = x2＋Ｃ是方程(1.4)在区间(-∞，+∞)上的解，其中C是任意的常数.2. 函数是方程(1.5)在区间（-1,+1）上的解，其中C是任意常数.又方程(1.5)有两个明显的常数解y =±１，这两个解不包含在上述解中.3. 函数是方程(1.6)在区间(-∞，+∞)上的解，其中和是独立的任意常数.4. 函数是方程(１.７)在区间(-∞，+∞)上的解，其中和是独立的任意常数.这里，我们仅验证3，其余留给读者完成.事实上，在(-∞，+∞)上有所以在（－∞，＋∞）上有从而该函数是方程(1.6)的解.从上面的讨论中，可以看到一个重要事实，那就是微分方程的解中可以包含任意常数，其中任意常数的个数可以多到与方程的阶数相等，也可以不含任意常数.我们把n 阶常微分方程(1.11)的含有n个独立的任意常数C1，C2，…，Cn的解，称为该方程的通解，如果方程(1.11)的解不包含任意常数，则称它为特解.由隐式表出的通解称为通积分，而由隐式表出的特解称为特积分.由上面的定义，不难看出，函数和分别是方程(1.4)，(1.5)和(1.6)的通解，函数是方程(1.7)的通积分，而函数y =±１是方程(1.7)的特解.通常方程的特解可对通解中的任意常数以定值确定，这种确定过程，需要下面介绍的初始值条件，或简称初值条件.初值问题例1中的函数(1.3)显然是方程(1.2)的通解，由于和是两个任意常数，这表明方程(1.2)有无数个解，解的图像见下面的图a和图b所示.图a（C1＞固定，C2＞0）图b（C1=0,C2＞0）而实际经验表明，一个自由落体运动仅能有一条运动轨迹.产生这种多解性的原因是因为方程(1.2)所表达的是任何一个自由落体，在任意瞬时t所满足的关系式，并未考虑运动的初始状态，因此，通过积分求得的其通解(1.3)所描述的是任何一个自由落体的运动规律.显然，在同一初始时刻，从不同的高度或以不同初速度自由下落的物体，应有不同的运动轨迹.为了求解满足初值条件的解，我们可以把例1中给出的两个初始值条件，即初始位置x(0)= H 初始速度代入到通解中，推得于是，得到满足上述初值条件的特解为(1.14)它描述了初始高度为H，初始速度为v0的自由落体运动规律.求微分方程满足初值条件的解的问题称为初值问题.于是我们称(1.14)是初值问题的解.对于一个n 阶方程，初值条件的一般提法是(1.15)其中是自变量的某个取定值，而是相应的未知函数及导数的给定值.方程(1.12)的初值问题常记为(1.16)初值问题也常称为柯希（Cauchy）问题.对于一阶方程，若已求出通解，只要把初值条件代入通解中，得到方程从中解出C，设为，代入通解，即得满足初值条件的解.对于n 阶方程，若已求出通解后，代入初值条件(1.15)，得到n个方程式(1.17)如果能从(1.17)式中确定出，代回通解，即得所求初值问题的.例2 求方程的满足初值条件的解.解方程通解为求导数后得将初值条件代入，得到方程组解出和得故所求特解为积分曲线为了便于研究方程解的性质，我们常常考虑解的图象.一阶方程(1.9)的一个特解的图象是xoy平面上的一条曲线，称为方程(1.9)的积分曲线，而通解的图象是平面上的一族曲线，称为积分曲线族.例如，方程(1.4)的通解+C是xoy平面上的一族抛物曲线.而是过点(0，0)的一条积分曲线.以后，为了叙述简便，我们对解和积分曲线这两个名词一般不加以区别.对于二阶和二阶以上的方程，也有积分曲线和积分曲线族的概念，只不过此时积分曲线所在的空间维数不同，我们将在第4章详细讨论.最后，我们要指出，本书中按习惯用分别代表，而分别代表本节要点：1．常微分程的定义，方程的阶，隐式方程，显式方程，线性方程，非线性方程.2．常微分方程解的定义，通解，特解，通积分，特积分.3．初值问题及初值问题解的求法.4．解的几何意义，积分曲线.。
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。
微分方程定义
微分方程定义概念: 微分方程、常微分方程、常微分方程、偏微分方程、阶、解、通解、特解、奇解、定解条件、初值条件微分方程：凡含有未知函数的导数或微分的方程常微分方程：未知函数为一元函数的微分方程.偏微分方程：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阶:微分方程中,未知函数的最高阶导数(或微分)的阶数解:如果某个函数代入微分方程后使其两端恒等,则称此函数为该方程的解通解(general solution):如果微分方程的解所包含独立的任意常数的个数等于方程的阶数,则称此解为方程的通解.（通解并不一定包含方程所有的解）特解(particular solution)：微分方程任一确定的解奇解：不包含在通解中的解定解条件：用来确定微分方程特解的条件。
（微分方程一般具有无数个解，为了确定微分方程的一个特解，必须给出这个解所满足的条件。
）初值条件：如果定解条件是由系统在初始时刻所处的状态给出，则也称这种定解条件为初值条件。
In general,a differential equation is an equation that contains an unknown function and one or more of its derivatives.The order of a differential equation is the order of the highest derivative that occurs in the equation.A function f is called a solution of a differential equation if the equation is satisfied when y=f(x) and its derivatives are substituded into the equation.An nth-order equation has an nth-parameter family of solution.A separable equation is a first-order differential equation in which the expression for dy/dx can be factored as a function of x times a funtion of y. In other words,it can be written in the form dy/dx=g(x)f(y) Homogeneous Equations:The first-order differential equation is homogeous if it can be put in the form y′=f(y/x)(x≠0)A first-order linear differential equation is one that can be put into the form dy/dx+P(x)y=Q(x)To solve the linear differential equation y′+P(x)y=Q(x),multiply both sides by the intergrating factor I(x)=e dx x p)(and integrate both sides.。
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微分方程解的概念和定解条件
(),
y x I n ϕ=设函数在区间上有阶连微分方程的解续导数I 如果在区间上，()
()(,,,,)0n x F x y y y I ϕ'= 则称函数是微分方程在区间上的解.0'≡()(,(),(),,()) n F x x x x ϕϕϕ，
()
(,,,,)0n F x y y y '= 将其代入微分方程中，
这样的解称作微分方程若微分方程的解中含有任意微分常数方程的通解，且独立任意常数的个数与微分方程的阶数相同，的通解.
6.
y x ''=二阶微分方程例13
1y x C =+显然是方程的解,但是不是（1）通解呢？
312y x C C =++那是不（2）是通解呢？
312y x C C =++3123y x C x C =++（）312.
x C C C C =+=+，其中是方程的通解.
微分方程的通解不一定是该方程注：的全部解.
2.
yy xy '=例一阶微分方程20y y ≠方程等式两边解时，同除以当得
2
y x C =+同时不定积分得 ，是原方程的通解.
2y x '=，
0y =但显然 也是原方程的解.
确定微分方程通解中任意常数值的定解条件或初条件称为始条件.
不含有任何任意常数的解称为微分微方分方程的特解程的特解.000,.a t s v v ===设质点以匀加速度作直线运动，且时，例3().
s t s s t =求质点的运动位移与时间的关系由二阶导数的解物理意义知
2
02(0)0,(0).d s a s s v dt '=== ，且
2121()2
s t at C t C =++解得通解为 将定解条件带入：
2(0)00
s C =⇒=1010()(0).
s t at C s v C v ''=+=⇒= ，201().2
s t at v t =+故特解为
2(60()4)y x y x x y x x ''=→函数是方程的解，且当时 ，是例的通过两次不定积分解可得方程通解为
3
12
y x C x C =++().
y x 高阶无穷小量，求的表达式31220lim 0.x x C x C x
→++=由题意，20,C =故3211200lim lim 0.x x x C x x C x x →→++==故10,C =故3.y x =从而
21220(0,53)x x y y y y C e C e -'''+-==+方程的通解为，若例是解由题意
(0)3(0)0
y y ''==，()().
y x y x 的拐点 ，求的表达式123,
C C +=即 124, 1.C C ==-解得 24.
x x y e e -=-从而1240.
C C +=
总结
本讲主要介绍了微分方程通解的概念和常见的定解条件的形式
.。