高等数学 第七章 第二节 可分离变量的微分方程习题课
02 第二节 可分离变量的微分方程.
第二节可分离变量的微分方程微分方程的类型是多种多样的，它们的解法也各不相同. 从本节开始我们将根据微分方程的不同类型，给出相应的解法. 本节我们将介绍可分离变量的微分方程以及一些可以化为这类方程的微分方程，如齐次方程等.分布图示★可分离变量微分方程★例2 ★例6★逻辑斯谛方程★齐次方程★例1★例4 ★例5 ★例8 ★例10★例13 ★例14★例17 ★例18★例3 ★例7 ★例9★例11 ★例12★可化为齐次方程的微分方程★例15 ★内容小结★习题7—2★例16★课堂练习★返回内容要点一、可分离变量的微分方程设有一阶微分方程dydx=F(x,y),如果其右端函数能分解成F(x,y)=f(x)g(x)，即有dydx=f(x)g(y). (2.1)则称方程(2.1)为可分离变量的微分方程，其中f(x),g(x)都是连续函数. 根据这种方程的特点，我们可通过积分来求解. 求解可分离变量的方程的方法称为分离变量法. 二、齐次方程：形如dy⎛y⎫=f ⎪ (2.8) dx⎝x⎭的一阶微分方程称为齐次微分方程，简称齐次方程..三、可化为齐次方程的微分方程：对于形如dy⎛a1x+b1y+c1=f ax+by+cdx22⎝2⎫⎪⎪⎭的方程，先求出两条直线a1x+b1y+c1=0,a2x+b2y+c2=0的交点(x0,y0)，然后作平移变换⎧X=x-x0⎨⎩Y=y-y0 即⎨⎧x=X+x0⎩y=Y+y0 这时，dydx=dYdX，于是，原方程就化为齐次方程⎛a1X+b1Y=f aX+bYdX2⎝2dY⎫⎪,⎪⎭例题选讲可分离变量的微分方程例1（E01）求微分方程解分离变量得从而y=±ex例2（E02）求微分方程dx+xydy=y2dx+ydy的通解.解先合并dx及dy的各项,得y(x-1)dy=(y2-1)dx设y2-1≠0,x-1≠0,分离变量得两端积分⎰yy-122dydx=2xy的通解. dyy=dyy=2xdxx2两端积分得⎰⎰2xdxln|y|=x2+C1 2+C1=±eC1⋅e,记C=±eC1,则得到题设方程的通解 y=Cex. yy-12dy=21x-1dx dy=⎰x-11dx得 12ln|y-1|=ln|x-1|+ln|C1|于是 y2-1=±C12(x-1)2记C=±C12,则得到题设方程的通解 y2-1=C(x-1)2.注：在用分离变量法解可分离变量的微分方程的过程中, 我们在假定g(y)≠0的前提下, 用它除方程两边, 这样得到的通解, 不包含使g(y)=0的特解. 但是, 有时如果我们扩大任意常数C的取值范围, 则其失去的解仍包含在通解中. 如在例2中，我们得到的通解中应该C≠0，但这样方程就失去特解y=±1，而如果允许C=0，则y=±1仍包含在通解y-1=C(x-1)22中.例3 已知 f'(sin2x)=cos2x+tan2x, 当0<x<1时，求f(x).解设y=sin2x,则cos2x=1-2sin2x=1-2y,sincos22tan2x=xx=sin2x21-sinx=y1-y.所以原方程变为f'(y)=1-2y+⎛⎝1y1-y,即f'(y)=-2y+11-y. 所以 f(y)= -2y+⎫2⎪dy=-y-ln1(-y)+C, 1-y⎪⎭故 f(x)=-[x2+ln(1-x)]+C(0<x<1).例4 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. 试求物体温度随时间t的变化规律.解设物体的温度T与时间t的函数关系为T=T(t),在上节的例1中我们已经建立了该问题的数学模型:⎧dT(1)⎪=-k(T-20) ⎨dt(2)⎪T|t=0=100⎩其中k(k>0)为比例常数.下面来求上述初值问题的解.分离变量,得两边积分⎰1T-20=dTT-20=-kdt; ⎰-kdt,得ln|T-20|=-kt+C11(其中C1为任意常数)， 1即 T-20=±e-kt+C=±eCe-kt=Ce-kt(其中C=±eC). 1从而T=20+Ce-kt,再将条件(2)代入,得C=100-20=80,于是，所求规律为T=20+80e-kt.注：物体冷却的数学模型在多个领域有广泛的应用. 例如，警方破案时，法医要根据尸体当时的温度推断这个人的死亡时间，就可以利用这个模型来计算解决，等等.例5（E03）在一次谋杀发生后，尸体的温度从原来的37 C按照牛顿冷却定律开始下降．假设两个小时后尸体温度变为35 C，并且假定周围空气的温度保持20 C 不变，试求出尸体温度T随时间t的变化规律．又如果尸体被发现时的温度是30 C，时间是下午4点整，那么谋杀是何时发生的？解根据物体冷却的数学模型，有⎧dT⎪=-k(T-20),⎨dt⎪⎩T(0)=37k>0,.其中k>0是常数．分离变量并求解得T-20=Ce-kt，为求出k值，根据两个小时后尸体温度为35 C这一条件，有35=20+17e-k⋅2，求得k≈0.063，于是温度函数为T=20+17e-0.063t，将T=30代入上式求解t，有1017=e-0.063t，即得t≈8.4(小时)．于是，可以判定谋杀发生在下午4点尸体被发现前的8.4小时,即8小时24分钟,所以谋杀是在上午7点36分发生的.例6（E04）设降落伞从跳伞塔下落后, 所受空气阻力与速度成正比, 并设降落伞离开跳伞塔时(t=0)速度为零, 求降落伞下落速度与时间的关系.解设降落伞下落速度为v(t),降落伞下落时，同时收到重力P与阻力R的作用. 降落伞所受外力为 F=mg-kv根据牛顿第二定律: F=mα,得到v(t)满足微分方程mdvdt=mg-kv (1)初始条件 vt=0=0.将方程(1)分离变量得dvmg-kvdtm=两边积分得⎰mg-1kdv-kv=⎰m tm+C1，-kmt-kC⎛e1C＝－ k⎝dtln(mg-kv)=即 mg-kv=e⎛t⎫-k +C1⎪⎝m⎭或 v=mgkmgk+Ce⎫⎪⎪⎭代入初始条件得 C=-⎫⎪. ⎪⎭k-tmg⎛m 1-e故所求特解为 v=k ⎝下面我们借助树的增长来引入一种在许多领域有广泛应用的数学模型——逻辑斯谛方程.一棵小树刚栽下去的时候长得比较慢, 渐渐地, 小树长高了而且长得越来越快, 几年不见, 绿荫底下已经可乘凉了; 但长到某一高度后, 它的生长速度趋于稳定, 然后再慢慢降下来. 这一现象很具有普遍性. 现在我们来建立这种现象的数学模型.如果假设树的生长速度与它目前的高度成正比, 则显然不符合两头尤其是后期的生长情形, 因为树不可能越长越快; 但如果假设树的生长速度正比于最大高度与目前高度的差, 则又明显不符合中间一段的生长过程. 折衷一下, 我们假定它的生长速度既与目前的高度, 又与最大高度与目前高度之差成正比.设树生长的最大高度为H(m), 在t(年)时的高度为h(t),则有dh(t)dt=kh(t)[H-h(t)] (2.8)其中k>0的是比例常数. 这个方程称为Logistic方程. 它是可分离变量的一阶常微分方程.注：Logistic的中文音译名是“逻辑斯谛”.“逻辑”在字典中的解释是“客观事物发展的规律性”,因此许多现象本质上都符合这种S规律. 除了生物种群的繁殖外, 还有信息的传播、新技术的推广、传染病的扩散以及某些商品的销售等. 例如流感的传染, 在任其自然发展(例如初期未引起人们注意)的阶段, 可以设想它的速度既正比于得病的人数又正比于未传染到的人数. 开始时患病的人不多因而传染速度较慢; 但随着健康人与患者接触, 受传染的人越来越多, 传染的速度也越来越快; 最后, 传染速度自然而然地渐渐降低, 因为已经没有多少人可被传染了.例如，837年, 荷兰生物学家Verhulst提出一个人口模型dydt=y(k-by),y(t0)=y0 (2.9)其中k,b的称为生命系数.这个模型称为人口阻滞增长模型. 我们不细讨论这个模型, 只提应用它预测世界人口数的两个有趣的结果.有生态学家估计k的自然值是0.029. 利用本世纪60年代世界人口年平均增长率为2%以及1965年人口总数33.4亿这两个数据, 计算得b=2，从而估计得：(1) 世界人口总数将趋于极限107.6亿.(2) 到2000年时世界人口总数为59.6亿.后一个数字很接近2000年时的实际人口数, 世界人口在1999年刚进入60亿.例7 有高为1米的半球形容器，水从它的底部小孔流出，小孔横截面积为1平方厘米. 开始时容器内盛满了水, 求水从小孔流出过程中容器里水面的高度h(水面与孔口中心间的距离)随时间t的变化规律.解由力学知识得，水从孔口流出的流量为Q＝dVdt=0⋅流量系数孔口截面面积重力加速度S=1cm, ∴dV=0.6222ghdt. ①2设在微小的时间间隔[t,t+∆t],水面的高度由h降至h+∆h,则dV=-πrdh,r=2-(100-h)2=200h-h, ∴dV=-π(200h-h)dh. ② 22比较①和②得:-π(200h-h)dh=0.622ghdt, 即为未知函数得微分方程.dt=-2π0.622g-(200h-h)dh,3ht=0=100, ∴C=π0.622g⨯14155⨯10,5所求规律为 t=π4.652g(7⨯10-103h3+3h).5例8 某车间体积为12000立方米, 开始时空气中含有0.1%的C02, 为了降低车间内空气中C02的含量, 用一台风量为每秒2000立方米的鼓风机通入含0.03%的C02的新鲜空气, 同时以同样的风量将混合均匀的空气排出, 问鼓风机开动6分钟后, 车间内C02百分比降低到多少?解设鼓风机开动后t时刻CO2的含量为x(t)%,在[t,t+dt]内，CO2的通入量=2000⋅dt⋅0.03,CO2的通入量—CO2的排出量,即dxdt16-16t12000dx=2000dt⋅0.03-2000dt⋅x(t)=-16(x-0.03)x=0.03+Ce,e由x|t=0=0.C=0.07x=0.03+007-t,-1x|t=6=0.03+0.07e≈0.056,故6分钟后，车间内CO2的百分比降低到0.056%. 齐次方程例9（E05）求解微分方程dydx=yxyx+tandydxyx满足初始条件ydudx1x, dx.x=1=π的特解.解题设方程为齐次方程,设u=代入原方程得u+x dudx,则=u+x=u+tanu,分离变量得cotudu=两边积分得ln|sinu|=ln|x|+ln|C|sinu=Cx, 将u=yx回代，则得到题设方程的通解为sinyx=Cx.利用初始条件y|x=1=π/6,得到C=例10 求解微分方程xdx212.从而所求题设方程的特解为sinyx=12x.-xy+y2=dy2y2-xy.解原方程变形为dydx=2y-xyx-xy+y222=y⎛y⎫2 ⎪-x⎝x⎭1-⎛y⎫+ ⎪x⎝x⎭22y2,令u=yx,则dydx=u+xdudx,方程化为u+xdudx=2u-u21-u+u,分离变量得⎢两边积分得⎡1⎛1⎣2⎝u-2-1⎫21⎤dx+du=, ⎪-⎥xu⎭u-2u-1⎦ln(u-1)-32ln(u-2)-=Cx.12lnu=lnx+lnC,整理得u-1u(u-2)3/2所求微分方程的解为 (y-x)2=Cy(y-2x)3. 例11（E06）求解微分方程 y+x22dydx2=xydydx.解原方程变形为dydx=y22xy-xdudx⎛y⎫⎪⎝x⎭,（齐次方程） =y-1xdudx=u2令u=yx,则y=ux,⎛⎝dydx=u+x,故原方程变为u+xu-1,即xdudx=uu-1.分离变量得 1-回代u=yx1⎫dx⎪du=.两边积分得u-ln|u|+C=ln|x|或ln|xu|=u+C. u⎭x ,便得所给方程的通解为 ln|y|=yx+C.例12 求下列微分方程的通解:x(lnx-lny)dy-ydx=0. 解原方程变形为ln代入原方程并整理yxdy+yxdx=0,dxx令u=.yx,则dydx=u+dudx,lnuu(lnu+1)du=-两边积分得 lnu-ln(lnu+1)=-lnx+lnC,即y=C(lnu+1).变量回代得所求通解 y=C ln⎝⎛⎫+1⎪. x⎭y例13 抛物线的光学性质. 实例:车灯的反射镜面——旋转抛物面. 解设旋转轴Ox轴，光源在(0,0), L:y=y(x),1设M(x,y)为L上任一点，MT为切线，斜率为y',MN为法线，斜率为-, ∠OMN=∠NMR, ∴tan∠OMN=tan∠NMR, 由夹角正切公式得-1ytan∠OMN=y'-x1-y, tan∠NMR=1y',xy'x2得微分方程 yy'+2xy'-y=0, y'=-y±⎛ x⎫y⎪⎪+1,⎝⎭2令 u=yx,方程化为 u+xdu1±1+udx=-u, 分离变量得udu=-dx,(1+u2)±+u2x令 1+u2=t2,得tdtt(t±1)=-dxx,积分得 ln|t±1|=lnCx, 即u2+1=Cx±1.平方化简得u2=C22Cx2+x, 代回u=yx,得y2=2C ⎛x+C⎫⎝2⎪.⎭y'所求旋转轴为Ox轴得旋转抛物面的方程为 y2+z2=2C x+⎝⎛C⎫⎪. 2⎭例14（E07）设河边点O的正对岸为点A, 河宽OA=h, 两岸为平行直线, 水流速度为 a, 有一鸭子从点A游向点O, 设鸭子(在静水中)的游速为b(b>a), 且鸭子游动方向始终朝着点O, 求鸭子游过的迹线的方程.解设水流速度为a(|a|=a),鸭子游速为b(|b|=b),则鸭子实际运动速度为v=a+b. 取坐标系如图，设在时刻t鸭子位于点P(x,y),则鸭子运动速度v={vx,vy}={xt,yt}, 故有dxdyxtytvxvy .现在a=(a,0),而b=be,其中ePO为与PO同方向的单位向量. po ==由PO=-{x,y},故ePO=-{x,y}于是b=-bx+y22x+y, 22{x,y},⎛ v=a+b=a-⎝bxx+y22,-byx+y22⎫⎪. ⎪⎭由此得微分方程dxdy=vxvy=-ax+yby222+xy,即 dxdy=-abxy⎛x⎫x ⎪+1+, y⎪y⎝⎭=u,则x=yu,ydxdy=yabdudy+u,代入上面的方程,得 2初始条件为x|y=h=0.令dudy=-u+1,分离变量得abduu+12=-abydy, 积分得arshu=-故x=y2[(Cy)-a/b(lny+lnC),a/b即u=shln(Cy)-a/b=1[(Cy)1-a/b12[(Cy)-a/b-(Cy)a/b], -(Cy)]=2C-(Cy)1+a/b]. 将初始条件代入上式得C=1/h,故所求迹线方程为1-a/b1+a/b⎤⎛y⎫h⎡⎛y⎫- ⎪⎢⎪⎥,0≤h≤y. x=h⎭2⎢⎝h⎭⎝⎥⎣⎦可化为齐次方程的方程例15（E08）求dydx=x-y+1x+y-3的通解.解直线x-y+1=0和直线x+y-3=0的交点是(1,2),因此作变换x=X+1,y=Y+2.代入题设方程,得dYdX=Y⎫⎛= 1-⎪X⎭X+Y⎝X-YY⎫⎛1+⎪X⎭⎝dudX12=1-u1+u,令u=YX,则Y=uX,dYdX2=u+XdudX,代入上式,得u+X2分离变量,得即u=YX1+u1-2u-udu=ln|X|+lnC1,两边积分,得-ln|1-2u-u|=ln|X|+lnC1回代得X2-2XY-Y2=C,再将X=x-1,Y=y-2回代，并整理所求题设方程的通解x2-2xy-y2+2x+6y=C. 例16（E09）利用变量代换法求方程解令x+y=u,则分离变量得du1+u2dydx=(x+y)的通解.dudx=1+u,22dydx=dudx-1,代入原方程得=dx,两边积分得arctanu=x+C,回代得arctan(x+y)=x+C,故原方程的通解为y=tan(x+C)-x.例17 求微分方程y'=解令u=x+2y,则dudx12tan(x+2y)dydx22的通解.=1+2,代入原方程得u⇒1⎛du⎫1-1⎪=tan2⎝dx⎭2dudx=1+tanu,2即dudx=secu.2分离变量得两端积分得dusecu2=dx或1+cos2u2du=dx.1⎛1⎫u+sin2u⎪=x+C,2⎝2⎭即sin[2(x+2y)]+4112(x+2y)=x+C,故所求通解为 y=x2+C-14sin(2x+4y).例18 求下列微分方程的通解. x+y222yy'=ex+x+yx22-2x.解令u=x+y,则再令v=ux,则dudxdvdx22dudx=2x+2ydydx,原方程化为dudxdxxu=ex+ux. =v+x,代入上式，并整理得e-vdv=,两边积分得 -e-v=lnx+C,变量还原得通解x+y22-ex=lnx+C.课堂练习1.求微分方程dydx+cosx-y2=cosx+y2的通解.x2.方程⎰⎡2y(t)+t2+y2(t)⎤dt=xy(x)是否为齐次方程? 0⎢⎣⎥⎦3.求齐次方程(x+ycosyx)dx-xcosyxdy=0的通解.。
高等数学教学教案§7-1--微分方程的基本概念-§7-2--可分离变量的微分方程
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04m/s2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?
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
例3设降落伞从跳伞塔下落后所受空气阻力与速度成正比并设降落伞离开跳伞塔时速度为零求降落伞下落速度与时间的函数关系
例4求微分方程 的通解
例4有高为1m的半球形容器水从它的底部小孔流出小孔横截面面积为1cm2开始时容器内盛满了水求水从小孔流出过程中容器里水面高度h随时间t变化的规律
解由水力学知道水从孔口流出的流量Q可用下列公式计算
讨论下列方程中哪些是可分离变量的微分方程？
(1)y2xy是y1dy2xdx
(2)3x25xy0是dy(3x25x)dx
(3)(x2y2)dxxydy=0不是
(4)y1xy2xy2是y(1x)(1y2)
(5)y10xy是10ydy10xdx
(6) 不是
第一步分离变量将方程写成g(y)dyf(x)dx的形式
作业布置
《高等数学》标准化作业
双语教学
导数：derivative；微分：differential calculus；微分方程：differential equation；阶：order；
常微分方程：ordinary differential equation；偏微分方程：partial differential equation；
教 学 基 本 内 容
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
第二节 可分离变量的微分方程
三、v 269.3厘米/秒.
四、取 0 为原点,河岸朝顺水方向为 x 轴 , y 轴 指向对 岸,则所求航线为 x k (h y2 1 y3 ). a2 3
例 9 有高为 1 m 的半球形容器 , 水从它的底部 小孔流出 , 小孔横截面积为 1 cm2 (如图). 开始时 容器内盛满了水 , 求水从小孔流出过程中容器里 水面的高度 h (水面与孔口中心间的距离) 随时间 t 的变化规律 .
dy
y2
x2dx ,
解得
1 y
1 3
x3
C1
,
即
y
x3
3
C
.
可分离变量的微分方程初值问题:
g( y) dy f ( x) dx
y
x
x0
y0
的解也可直接用变上限积分来确定：
y
x
g( y) dy f ( x) dx
y0
x0
三、小结
分离变量法步骤: 1.分离变量; 2.两端积分——隐式通解.
第二节 可分离变量的微分方程
一、可分离变量的微分方程 二、典型例题
一、可分离变量的微分方程
形如 y f ( x) g( y) 的方程，称为可分离变量
的微分方程.
分离变量，得：g( y)d y f ( x)dx, ①
设 y= (x) 是方程①的解, 则有恒等式：
g( ( x))( x)dx f ( x)dx,
两边积分, 得 g( ( x))( x)dx f ( x)dx,
习题课_微分方程(解答)
有两个不相等实根 r1 , r2
有两个相等实根 r r1 r2
有一对共轭复根 r1 ,2 i
y C1e
rx
r1 x
C2 e
r2 x
y e (C1 C2 x)
y e x (C1 cos x C2 sinx)
4
10. 二阶常系数线性非齐次方程 ay '' by ' cy f ( x)
0
x
解： f ( x)sinx x f (t )dt tf (t )dt ， f (0) 0 ，
0 0
x 0
x
x
f ( x)cosx f (t )dt ， f (0)1 ，f ( x ) sin x f ( x ) ，
y y sin x 得初值问题： 。 y(0) 0, y(0)1 1 求得通解为 y C1cos x C 2 sinx xcos x ， 2 1 代入初始条件 y(0)0, y(0)1 ，得 C1 0 ， C 2 ， 2 1 ∴ y f ( x ) (sin x x cos x ) 。 2
(1) α iβ
ex [ Pm ( x ) cos x Pn ( x ) sinx ]
(1) y ex [ RL ( x ) cos x ( 2) RL ( x ) sinx ]
(1) y xex [ RL ( x ) cos x ( 2) RL ( x ) sinx ]
2
9
三、计算题
1．求方程 yy ' (sin x y 2 )cot x 的解。
( y x 2 y 2 )dx xdy 0 ( x 0) 2．求初值问题 的解。 y x1 0
高数下册 第七章 微分方程习题课 (一)(二)
dy y (3) = dx 2( ln y − x) 提示: 提示 可化为关于 x 的一阶线性方程 dy (4) + x y − x3 y3 = 0 dx z = y−2 提示: 提示 为贝努里方程 , 令 y dy − x dy 微分倒推公式 (5) xdx + ydy + =0 x2 + y2 提示: 提示 为全微分方程 , 通解
B = −417
原方程通解为 y = e−x (C1 cos 2x + C2 sin 2x ) 原方程通解为 思考 若 (7) 中非齐次项改为 提示: 提示 特解设法有何变化 ?
故 y * = Acos 2x + Bsin 2x + D
24
′′ − a y′2 = 0 y P327 题4(2) 求解 y x=0 = 0 , y′ x=0 = −1
y 方法 1 这是一个齐次方程 . 令 u = x 方法 2 化为微分形式
( 6x3 + 3x y2 )dx + ( 3x2 y + 2y3 )dy = 0
∂P ∂Q Q = 6x y = ∂y ∂x
故这是一个全微分方程 故这是一个全微分方程 .
7
求下列方程的通解: 例2. 求下列方程的通解 (1) x y′ + y = y( ln x + ln y )
dp dp = f ( x, p) dx
21
2. 二阶线性微分方程的解法 齐次 代数法 • 常系数情形 非齐次 • 欧拉方程 x2 y′′ + px y′ + qy = f (x) d t 令 x = e ,D= dt [D(D −1) + pD+ q] y = f (et ) 练习题: P327 题 2 练习题
第二节可分离变量的微分方程-PPT精品
规衰变律
思考题
求解微分方程 d yco x syco x sy.
dx 2
2
思考题解答
d yco x syco x sy0 ,
dx 2
2
dy2sin xsin y0, dx 2 2
2sdiyny sin2xdx,
2
lncscy coty 22
2cosxC, 2
为所求解.
三、齐次方程
1.定义 形如 dy f(y) 的微分方程称为齐次方程. dx x
正 比 , 已 知 M t0 M0 , 求 衰 变 过 程 中 铀 含 量 M(t)随时间t 变化的规律.
解 衰变速d度 M, 由题设条件
dt
dM M dt
(0衰变)系dM数 M dt
dMMdt, l|n M | t lC n 1 ,即 MC et,
代M 入 t0M 0 得M0C0e C,
M M 0et
dx
解 dy 2 y y dx x x
令u y , 则 dy u x du ,
x
dx
dx
有uxdu 2 uu, dx
1 du dx 0, 2(u u) x
2(u1 u)dudxx 0,
x( u 1) c
微分方程的解为
xy x c
四、小结
１分离变量法步骤: 分离变量;
化下列方程为齐次方程,并求出通解:
1、 y x y 1 ； x y3
2、 (2 x 5 y 3)dx (2 x 4 y 6)dy 0 .
练习题答案
一、1、y2 x2(2lnx C)；
x
2、x2yey C. 二、1、y2 x2 y3；
2、x2 y2 x y. 三、1、arctayn21ln[(x1)2 (y2)2]C；
资料：02 第二节 可分离变量的微分方程
第二节 可分离变量的微分方程微分方程的类型是多种多样的，它们的解法也各不相同. 从本节开始我们将根据微分方程的不同类型，给出相应的解法. 本节我们将介绍可分离变量的微分方程以及一些可以化为这类方程的微分方程，如齐次方程等.内容分布图示★ 可分离变量微分方程★ 例1 ★ 例2 ★ 例3 ★ 例4 ★ 例5 ★ 例6 ★ 例7★ 逻辑斯谛方程★ 齐次方程★ 例8 ★ 例9 ★ 例10 ★ 例11 ★ 例12★ 例13 ★ 可化为齐次方程的微分方程★ 例14 ★ 例15 ★ 例16★ 例17★ 内容小结 ★ 课堂练习 ★ 题库12—2 ★ 返回内容要点：一、可分离变量的微分方程设有一阶微分方程),(y x F dxdy=, 如果其右端函数能分解成)()(),(x g x f y x F =，即有)()(y g x f dxdy=. (2.1) 则称方程(2.1)为可分离变量的微分方程，其中)(),(x g x f 都是连续函数. 根据这种方程的特点，我们可通过积分来求解. 求解可分离变量的方程的方法称为分离变量法. 二、齐次方程：形如⎪⎭⎫⎝⎛=x y f dx dy (2.8) 的一阶微分方程称为齐次微分方程，简称齐次方程..三、 可化为齐次方程的方程：对于形如⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++++=222111c y b x a c y b x a f dx dy的方程，先求出两条直线,0111=++c y b x a 0222=++c y b x a的交点),(00y x ，然后作平移变换⎩⎨⎧-=-=00y y Y x x X 即 ⎩⎨⎧+=+=00y Y y x X x 这时，dXdYdx dy =，于是，原方程就化为齐次方程 ,2211⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=Y b X a Y b X a f dX dY例题选讲：可分离变量的微分方程例1（讲义例1）求微分方程xy dxdy2=的通解. 例2（讲义例2）求微分方程ydy dx y xydy dx +=+2的通解.注：在用分离变量法解可分离变量的微分方程的过程中, 我们在假定0)(≠y g 的前提下, 用它除方程两边, 这样得到的通解, 不包含使0)(=y g 的特解. 但是, 有时如果我们扩大任意常数C 的取值范围, 则其失去的解仍包含在通解中. 如在例2中，我们得到的通解中应该0≠C ，但这样方程就失去特解1±=y ，而如果允许0=C ，则1±=y 仍包含在通解22)1(1-=-x C y 中.例3 已知 ,tan 2cos )(sin 22x x x f +=' 当10<<x 时，求).(x f例4（讲义例3）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. 试求物体温度随时间t 的变化规律.注：物体冷却的数学模型在多个领域有广泛的应用. 例如，警方破案时，法医要根据尸体当时的温度推断这个人的死亡时间，就可以利用这个模型来计算解决，等等.例5（讲义例4）设降落伞从跳伞塔下落后, 所受空气阻力与速度成正比, 并设降落伞离开跳伞塔时)0(=t 速度为零, 求降落伞下落速度与时间的关系.下面我们借助树的增长来引入一种在许多领域有广泛应用的数学模型——逻辑斯谛方程.一棵小树刚栽下去的时候长得比较慢, 渐渐地, 小树长高了而且长得越来越快, 几年不见, 绿荫底下已经可乘凉了; 但长到某一高度后, 它的生长速度趋于稳定, 然后再慢慢降下来. 这一现象很具有普遍性. 现在我们来建立这种现象的数学模型.如果假设树的生长速度与它目前的高度成正比, 则显然不符合两头尤其是后期的生长情形, 因为树不可能越长越快; 但如果假设树的生长速度正比于最大高度与目前高度的差, 则又明显不符合中间一段的生长过程. 折衷一下, 我们假定它的生长速度既与目前的高度, 又与最大高度与目前高度之差成正比.设树生长的最大高度为H (m), 在t (年)时的高度为),(t h 则有)]()[()(t h H t kh dtt dh -= (2.8)其中0>k 的是比例常数. 这个方程称为Logistic 方程. 它是可分离变量的一阶常微分方程.注：Logistic 的中文音译名是“逻辑斯谛”.“逻辑”在字典中的解释是“客观事物发展的规律性”, 因此许多现象本质上都符合这种S 规律. 除了生物种群的繁殖外, 还有信息的传播、新技术的推广、传染病的扩散以及某些商品的销售等. 例如流感的传染, 在任其自然发展(例如初期未引起人们注意)的阶段, 可以设想它的速度既正比于得病的人数又正比于未传染到的人数. 开始时患病的人不多因而传染速度较慢; 但随着健康人与患者接触, 受传染的人越来越多, 传染的速度也越来越快; 最后, 传染速度自然而然地渐渐降低, 因为已经没有多少人可被传染了.例如，837年, 荷兰生物学家Verhulst 提出一个人口模型00)(),(y t y by k y dtdy=-= (2.9)其中b k ,的称为生命系数.这个模型称为人口阻滞增长模型. 我们不细讨论这个模型, 只提应用它预测世界人口数的两个有趣的结果.有生态学家估计k 的自然值是0.029. 利用本世纪60年代世界人口年平均增长率为2%以及1965年人口总数33.4亿这两个数据, 计算得2=b ，从而估计得：(1) 世界人口总数将趋于极限107.6亿. (2) 到2000年时世界人口总数为59.6亿.后一个数字很接近2000年时的实际人口数, 世界人口在1999年刚进入60亿. 例6 有高为1米的半球形容器，水从它的底部小孔流出，小孔横截面积为1平方厘米. 开始时容器内盛满了水, 求水从小孔流出过程中容器里水面的高度h (水面与孔口中心间的距离)随时间t 的变化规律.例7 某车间体积为12000立方米, 开始时空气中含有0.1%的C02, 为了降低车间内空气中C02的含量, 用一台风量为每秒2000立方米的鼓风机通入含0.03%的C02的新鲜空气, 同时以同样的风量将混合均匀的空气排出, 问鼓风机开动6分钟后, 车间内C02百分比降低到多少?齐次方程例8（讲义例5）求解微分方程 x y x y dx dy tan +=满足初始条件61π==x y 的特解. 例9 求解微分方程.2222xyy dy y xy x dx -=+-例10（讲义例6）求解微分方程 .22dxdy xy dx dy xy =+ 例11 求下列微分方程的通解:.0)ln (ln =--ydx dy y x x例12 抛物线的光学性质. 实例:车灯的反射镜面 ——旋转抛物面.例13（讲义例7）设河边点O 的正对岸为点A , 河宽h OA =, 两岸为平行直线, 水流速度为a, 有一鸭子从点A 游向点O , 设鸭子(在静水中)的游速为)(a b b >, 且鸭子游动方向始终朝着点O , 求鸭子游过的迹线的方程.可化为齐次方程的方程例14（讲义例8）求31-++-=y x y x dx dy 的通解. 例15（讲义例9）利用变量代换法求方程2)(y x dxdy+=的通解. 例16 求微分方程)2(tan 212y x y +='的通解. 例17 求下列微分方程的通解. .222222x xy x e y y xy x -++='+课堂练习 1.求微分方程2cos2cos yx y x dx dy +=-+的通解. 2.方程)()()(2022x xy dt t y t t y x=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++⎰是否为齐次方程?3.求齐次方程0cos )cos (=-+dy xyx dx x y y x 的通解.。
同济大学数学系《高等数学》(第7版)(上册)-课后习题(含考研真题)详解-第七章 微分方程【圣才出品
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则
所以 y＝3sinx－4cosx 是所给微分方程的解． （3）根据 y＝x2ex，得
进而得
则
所以 y＝x2ex 不是所给微分方程的解．
（4）根据
，得
，进而得
则
所以
是所给微分方程的解．
3．在下列各题中，验证所给二元方程所确定的函数为所给微分方程的解：
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解：（1）在方程 x2－xy＋y2＝C 两端对 x 求导，得
即
所以所给二元方程所确定的函数是微分方程的解．
（2）在方程 y＝ln（xy）两端对 x 求导，得
即（xy－x）y′－y＝0，再在上式两端对 x 求导，得
即 给微分方程的解．
．所以所给二元方程所确定的函数是所
，即 tany·tanx＝±C1，所以原方程的通解为
tany·tanx＝C
（6）原方程分离变量，得 10－ydy＝10xdx，两端积分得
可写成 （7）原方程为
. 分离变量得
两端积分得
或写成
，即
，
所以原方程的通解为
（ex＋1）（ey－1）＝C
（8）原方程分离变量，得
两端积分得
即 ln|sinysinx|＝lnC1，或写成 sinysinx＝±C1，所以原方程的通解为 sinysinx＝C． （9）原方程分离变量，得（y＋1）2dy＝－x3dx．两端积分得
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第七章 微分方程
7.2 课后习题详解
习题 7-1 微分方程的基本概念
1．试说出下列各微分方程的阶数：
解：（1）一阶；（2）二阶；（3）三阶；（4）一阶；（5）二阶；（6）一阶． 2．指出下列各题中的函数是否为所给微分方程的解：
第二节可分离变量的常微分方程
分离变量并积分得通解
r 2 2 g hC t 2 2R
将初始条件 h |t 0 h0 代入上式得 C
r 2 2 g h h0 t 2 2R
h0 ，所以特解为
在上式中令 h =0，即可得到水从罐中全部流出所需要的时间为 2 R 2 h0 t 2 r 2g
1 2 把题中数据 h0 6 米， r 米， 0.6 ，g 9.8 米/ 秒 12
第二节 可分离变量的常微分方程
定义 6.1 的连续函数.
dy 形如 dx f ( x ) g( y ) 的微分方程， 称为可
分离变量方程．其中 f ( x), g( y ) 在所考虑的范围内是已知
解法 1.分离变量:
2.两边积分
dy f ( x )dx g( y )
dy f ( x )dx g( y )
即
1 y 2 C(1 x 2 ) 是方程的通解
dy 2 y cos x 例 6.4 求微分方程 dx
解
满足 y x0 1 的特解．
dy 把方程分离变量，得 2 cos x dx y
两边积分，得
将y
x 0
1 sin x C y
1 代入上式可得
C = －1
所求的特解为
设函数G ( y ) 和 F ( x ) 是依次为 g(1y ) 和 f ( x ) 的原函数,
G( y ) F ( x ) C 为微分方程的解.
这种解法叫分离变量法
dy y 例1 求微分方程 的通解 dx x
解 分离变量
dy 1 dx y x
两端积分
dy 1 y xdx
令 C e 1 ，通解可化为
《微积分》第二节 可分离变量的微分方程
x ydx ( x2 1) dy 0
y(0) 1
dy y
1
x x
2
dx
两边积分得
即
y C x2 1
( C 为任意常数 )
由初始条件得 C = 1, 故所求特解为
1 y
x2 1
例3. 已知放射性元素铀的衰变速度与当时未衰变原
子的含量 M 成正比,已知 t = 0 时铀的含量为 求在
衰变过程中铀含量 M(t) 随时间 t 的变化规律.
半衰期：放射性元素衰减一半所需时间.
M0 e t
1 2
M0
.
半衰期： ln 2 .
小结：
一、可分离变量的微分方程类型：
二、可分离变量方程的求解方法: 分离变量后积分; 根据定解条件定常数 .
作业
P270习题4_2 1(单)，2(单)，3
解: 根据题意, 有
dM M ( 0)
dt M t 0 M 0 (初始条件)
分离变量, 然后积分:
得 ln M t ln C M0
故所求铀的变化规律为 M M 0 e t . O
t
M M 0 e t . ( 0 ) 指数衰减
第二节 可分离变量的微分方程
变量分离的微分方程的标准形式：g( y)dy f ( x)dx
例如
dy
2x2
4
y5
4
y 5dy
2 x2dx,
dx
解法：两边积分
g( y)dy f ( x)dx
设G( y)和F( x)分别为g( y)和 f ( x)的原函数,则
G ( y ) F ( x ) C 为微分方程的通解.
例1 求微分方程
的通解.
解: 分离变量得 d y 3x2 dx y
微积分 第七章 第二节 一阶微分方程
2.解法 作变量代换 u y ,
x
dy u x d u ,
dx
dx
即 y xu,
代入原式得
分离变量得
u
du x
f (u),
dx
du dx , 两边积分即得通解. f (u) u x
注意：须将u代回.
9
例6 求方程 dy y 3 tan y 的通解.
dx x
x
解 此题不能分离变量, 是齐次方程,
解
原方程变形为
dy dx
y2 xy x2
( y / x)2 , y x1
作变量代换 u y , y xu , dy u x du ,
x
dx
dx
代入原方程得 u x du u2 , dx u 1
即 x du u2 u u ,
dx u 1
u1
13
即 x du u2 u u ,
dx
2
2
解 dy cos x y cos x y 2sin x sin y ,
dx
2
2
22
dy 2 sin
y
sin
x 2
dx,
2
ln | csc y cot y | 2cos x C
22
2
为所求通解.
6
例4 求方程(e x y e x ) dx (e x y e y ) dy 0
y
e
P
(
x
)dx
[
Q(
x
)
e
P
(
x
)dx
dx
C
]
17
y
e
P(
x
)dx
[
Q(
同济大学数学系《高等数学》第7版上册课后习题(微分方程)【圣才出品】
同济大学数学系《高等数学》第7版上册课后习题第七章微分方程习题7-1微分方程的基本概念1．试说出下列各微分方程的阶数：解：（1）一阶；（2）二阶；（3）三阶；（4）一阶；（5）二阶；（6）一阶．2．指出下列各题中的函数是否为所给微分方程的解：解：（1）根据y＝5x2，得y′＝10x，xy′＝10x2＝2y，所以y＝5x2是所给微分方程的解．（2）根据y＝3sinx－4cosx，得y′＝3cosx＋4sinx，进而得y″＝－3sinx＋4cosx则所以y＝3sinx－4cosx是所给微分方程的解．（3）根据y＝x2e x，得进而得则所以y＝x2e x不是所给微分方程的解．（4）根据，得，进而得则所以是所给微分方程的解．3．在下列各题中，验证所给二元方程所确定的函数为所给微分方程的解：解：（1）在方程x2－xy＋y2＝C两端对x求导，得即所以所给二元方程所确定的函数是微分方程的解．（2）在方程y＝ln（xy）两端对x求导，得即（xy－x）y′－y＝0，再在上式两端对x求导，得即．所以所给二元方程所确定的函数是所给微分方程的解．4．在下列各题中，确定函数关系式中所含的参数，使函数满足所给的初值条件：解：（1）根据y|x＝0＝5，将x＝0，y＝5代入函数关系中，得C＝－25，即x2－y2＝－25（2）根据，得将x＝0，y＝0及y′＝1代入以上两式，得所以C1＝0，C2＝1，y＝xe2x．（3）根据y＝C1sin（x－C2），得将x＝π，y＝1及y′＝0代入以上两式，得根据①2＋②2得，不妨取C1＝1，根据①式得，所以5．写出由下列条件确定的曲线所满足的微分方程：（1）曲线在点（x，y）处的切线的斜率等于该点横坐标的平方；（2）曲线上点P（x，y）处的法线与x轴的交点为Q，且线段PQ被y轴平分．解：（1）假设曲线方程为y＝y（x），它在点（x，y）处的切线斜率为y′，依条件有y′＝x2此为曲线方程所满足的微分方程．（2）假设曲线方程为y＝y（x），因它在点P（x，y）处的切线斜率为y′，所以该点处法线斜率为.由条件知PQ之中点位于y轴上，所以点Q的坐标是（－x，0），则有即微分方程为yy′＋2x＝0．6．用微分方程表示一物理命题：某种气体的气压P对于温度T的变化率与气压成正比，与温度的平方成反比．解：因为与P成正比，与T2成反比，如果比例系数为k，则有7．一个半球体形状的雪堆，其体积融化率与半球面面积A成正比，比例系数k＞0．假设在融化过程中雪堆始终保持半球体形状，已知半径为r0的雪堆在开始融化的3小时内，融化了其体积的；问雪堆全部融化需要多少时间？解：假设雪堆在时刻t的体积为，侧面积S＝2πr2．根据题设知则积分得r＝－kt＋C根据r|t＝0＝r0，得C＝r0，r＝r0－kt．又，即得，从而因雪堆全部融化时，r＝0，所以得t＝6，即雪堆全部融化需6小时．习题7-2可分离变量的微分方程1．求下列微分方程的通解：解：（1）原方程为，分离变量得两端积分得即lny＝±C1x，所以通解为lny＝Cx，即y＝e Cx．（2）原方程可写成5y′＝3x2＋5x，积分得,即通解为（3）原方程为，分离变量得两端积分得arcsiny＝arcsinx＋C，即为原方程的通解．（4）原方程可写成，分离变量得两端积分得即是原方程的通解．（5）原方程分离变量，得两端积分得可写成，即tany·tanx＝±C1，所以原方程的通解为tany·tanx＝C（6）原方程分离变量，得10－y dy＝10x dx，两端积分得可写成.（7）原方程为分离变量得。
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解题思路：一阶微分方程
能分离变量
g( y)dy = f ( x)dx
两端同时积分： g( y)dy = f ( x)dx
设 G(y) , F(x) 分别为 g(y) , f(x)的原函数，则 可分离变量方程的通解为：G(y)=F(x)+C (1)
(1)式为微分方程的隐式解。(1)式中含有任
意常数。因此(1)式为微分方程的隐式通解。
第七章 第二节
1
1 求 sec2 x tan ydx + sec2 y tan xdy = 0 的通解。 2 求 dy − 3 xy = xy2 的通解。
dx 3 求 y = e2x− y , y x=0 = 0 的特解。
第七章 第二节
2
1 求 sec2 x tan ydx + sec2 y tan xdy = 0 的通解。
第七章 第二节
3
2 求 dy − 3 xy = xy2 的通解。
dx
解 整理得 dy = x(3 y + y2 ) dx
分离变量并积分
dy y(3 +
y)
=
xdx
1
3 (
dy y
−
dy y+3
)
=
xdx
ln
y
− ln
y+3
=
3 2
x2
+ ln
C
整理得通解：
y
y +
3
=
Ce
3 2
x2
第七章 第二节
解
分离变量
sec2 ydy sec2 xdx =−
tan y
tan x
sec2 ydy
sec2 xdx
两端积分 tan y = − tan x
d tan y tan y
=
−
d tan x tan x
ln tan y = − ln tan x + ln C
整理得通解： tan y tan x = C
4
3 求 y = e2x− y , y x=0 = 0 的特解。
解 分离变量得 e ydy = e2xdx
ey
=
1 2
e2 x
+
C
代入初值条件 y(0) = 0
1
=
1 2
+
C
C
=
1 2
ey
=
1 2
e2 x
+
1 2
第七章 第二节
5