微分方程及其定解条件等效积分

合集下载

第四章微分方程的等效积分形式和加权余量法2014

q
式中nx和ny为边界外法线的方向余弦进一步整理如下：
v v ~ k k vQ dxdy vk n n d Γ v k q dΓ 0 x y x y y y n x x
第四章微分方程的等效积分形式和加权余量法
• 微分方程的等效积分可以放松求解要求 • 基于微分方程的等效积分提法的加权余量法是求解线性和非线性微分方程近似解的一种有效方法 • 有限元法中可以应用加权余量法来建立有限元求解方程，但加权余量法本身是一种独立的数值求解方法。
本章重点： • 微分方程的等效积分形式 • 加权余量法的基本概念、求解步骤 • 不同加权余量法的特点
• 4.1 微分方程的等效积分形式
•
A1 ( u) 微分方程组：A(u) A2 ( u) 0
B1 (u) B( u) B2 ( u) 0
( )
( 4.1.1)
• 边界条件：
( 在上)
( 4.1.2)
Cn-1连续性函数：一个函数在域内本身（0阶导数）直至其n-1
阶导数连续，它的第n阶导数具有有限个不连续点，但在域内
可积，则称为Cn-1连续性函数
• 4.2 等效积分的“弱”形式
对（4.1.4）作分部积分有： C
T
( v)D(u)dΩ ET ( ~ v )F(u)dΓ 0

(4.2.1)
C、D、E、F为微分算子（4.2.1）为原微分方程组的“弱”等效积分形式
作分部积分，近一步降低微分算子的阶数，放宽求解条件。
从形式上看“弱”形式对u的连续性要求降低了，但对实际的物理问题却常常较原始的微分方程更逼进真正解。其原因是原始的微分方程往往对解提出了过分“平滑”的要求。

有限元法及应用知识点总结

• 虚应力原理可以应用于线弹性以及非线性弹性等不同的力学问题。
• 但是必须指出，无论是虚位移原理还是虚应力原理，他们所依赖的几何方程和平衡方程都是基于小变形理论的，他们不能直接应用于基于大变形理论的力学问题。
4.最小位能原理和最小余能原理
• 明确：最小位能原理是建立在虚位移原理基础上的，而最小余能原理建立在虚应力原理基础上。
在工程实际中较为重要的材料非线性问题有：非线性弹性（包括分段线弹性）、弹塑性、粘塑性及蠕变等。
2）几何非线性问题
几何非线性问题是由于位移之间存在非线性关系引起的。
当物体的位移较大时，应变与位移的关系是非线性关系。研究这类问题一般都是假定材料的应力和应变呈线性关系。它包括大位移大应变及大位移小应变问题。如结构的弹性屈曲问题属于大位移小应变问题，橡胶部件形成过程为大应变问题。
• 最小位能原理是指在所有可能位移中，真实位移使系统总位能取最小值。
• 总位能是指弹性体变形位能和外力位能之和。
• 最小余能原理是指在所有的应力中，真实应力使系统的总余能取最小值。
• 总余能是指弹性体余能和外力余能总和。
4.最小位能原理和最小余能原理（续）
• 一般而言，利用最小位能原理求得位移近似解的弹性变形能是精确解变形能的下界，即近似的位移场在总体上偏小，也就是说结构的计算模型显得偏于刚硬；而利用最小余能原理求得的应力近似解的弹性余能是精确解余能的上界，即近似的应力解在总体上偏大，结构的计算模型偏于柔软。
平面单元划分原则（续）
• 3）划分单元的形状，一般均可取成三角形或等参元。对于平直边界可取成矩形单元，有时也可以将不同单元混合使用，但要注意，必须节点与节点相连，切莫将节点与单元的边相连。 4）单元各边的长不要相差太大，否则将影响求解精度。

微分方程的基本理论与解法

微分方程的基本理论与解法微分方程是数学中重要的工具和概念之一，广泛应用于自然科学、工程技术和经济管理等领域。

本文将介绍微分方程的基本理论和解法，帮助读者对微分方程有一个全面的了解。

一、微分方程的定义与分类微分方程是含有未知函数及其导数的方程，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是一个变量的函数，而偏微分方程中未知函数是多个变量的函数。

二、微分方程的基本概念1. 阶数：微分方程中导数的最高阶数称为方程的阶数。

2. 解的概念：满足微分方程的函数称为其解。

3. 初值问题与边值问题：在给定一些初值或边值条件下寻找微分方程的解的问题称为初值问题或边值问题。

三、常微分方程的解法1. 可分离变量法：当微分方程可以写成形式 dy/dx = f(x)g(y) 时，可以通过分离变量的方法求解。

2. 齐次方程法：对于可以写成形式 dy/dx = F(y/x) 的方程，可以通过变量替换和分离变量的方法求解。

3. 一阶线性方程法：对于形如 dy/dx + P(x)y = Q(x) 的方程，可以通过积分因子法求解。

4. 恰当方程法：对于形如 M(x, y)dx + N(x, y)dy = 0 的方程，如果它是一个恰当方程，则可以通过找到势函数求解。

5. Bernoulli方程法：对于形如 dy/dx + P(x)y = Q(x)y^n 的方程，可以通过将方程进行变量替换后求解。

四、偏微分方程的解法1. 分离变量法：对于可以变为连乘形式的偏微分方程，可以通过分离变量的方法求解。

2. 特征线法：对于一阶偏微分方程，可以通过找到特征线并在特征线上进行求解。

3. 变量替换法：通过适当选择变量替换，将偏微分方程化为常微分方程进而求解。

五、微分方程的应用微分方程广泛应用于各个学科和行业中，如物理学中的运动方程、电路系统的分析、化学反应动力学等。

微分方程的解析解和数值解可以提供有关系统行为、稳定性和变化趋势等重要信息。

有限元第2讲：加权余量法

x
u x 1 x a1
R1x x a1 2 x x2
有限单元法
崔向阳
18
例题解析
子域法(Sub-domain Method)
考虑两项近似解：
u x1 x a1 x2 1 x a2
将整个问题域分为两个子域，取： R2x x a1 2 x x2 a2 2 6x x2 x3
边界欲求解问题问题域在问题域内对于一个问题可以归结为在一定的边界条件或动力问题的初始条件下求解微分方程的解这些微分方程为问题的控制方程微分算子与未知函数u无关的已知函数域值待求的未知函数有限单元法崔向阳边界欲求解问题问题域在问题域内
湖南大学机械与运载工程学院
Hunan University
College of Mechanical & Vehicle Engineering
考虑一项近似解：
取x=1/2作为配点，得到：
R
1 2
1 2
-
7 4
a1
0
解得： a1 2 / 7
可以得一项近似解为：
u1
2 7
x
1
x
u x 1 x a1
R1x x a1 2 x x2
考虑两项近似解：
取x=1/3, 2/3作为配点，得到：
R
1 3
1 3
- 16 9
a1
2 27
有限单元法
崔向阳
17
例题解析
子域法(Sub-domain Method)
考虑一项近似解：
取整个问题域作为子域，即：
W1 1, 0 x 1
余量加权的积分为零
1 0
R1
x
dx
1 0
x
a1

(整理)微分方程的定1

微分方程的定义：凡含有未知函数的导数（偏导数）或微分的方程叫微分方程。

（记号：在表达微分方程时，用字母D表示求微分，D2，D3等表示求高阶微分，任何D后所跟的字母为因变量，自变量可以指定或有系统规则选定，例如用表示微分方程。

：）。

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。

定义式如下：F(x, y, y¢, ...., y(n)) = 0常微分方程：在很多学科领域内有着重要的应用，自动控制、各种电子学装置的设计、弹道的计算、飞机和导弹飞行的稳定性的研究、化学反应过程稳定性的研究等。

这些问题都可以化为求常微分方程的解，或者化为研究解的性质的问题。

常微分方程实例下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；(3) mv¢(t) = mg - kv(t)；一阶微分方程的形式及解法（1）一阶微分方程的普遍形式一般形式：F（x,y,y''）=0 标准形式：y'=f(x,y)微分方程的解：任何代入微分方程后使其成为恒等式的函数，都叫做该方程的解.称此解为该方程的通解(或一般解).当通解中的各任意常数都取特定值时所得到的解，称为方程的特解。

一般地说，n 阶微分方程的解含有n个任意常数。

也就是说，微分方程的解中含有任意常数的个数和方程的阶数相同，这种解叫做微分方程的通解。

通解构成一个函数族。

如果根据实际问题要求出其中满足某种指定条件的解来，那么求这种解的问题叫做入新的未知函数，把它化为多个一阶微分方程组。

微分方程求解：1.可分离变量：形如y ’=f(x)*g(y)解法dx x f y g dy y g x f dx dy )()()(*)(=⇒= 两边同时积分为⎰⎰+=c dx x f y g dy )()( 2.齐次方程：形如y ’=)(x y f 令u=y/x 有u+u ’x=y ’代入原方程有u+u ’x=f(u)[可分离变量]c Inx u u f du dx u u f du +=-⇒=-⎰)()(3.全微分方程：形如0),(),(=+dy y x N dx y x m 其中4.线性微分方程微分方程求解方法：解析解、数值解法、定性理论解析解：Matalb 中求微分方程解析解的函数是dsolve ，其调用格式为：dsolve(‘eq1,eq2,…’, ‘cond1,cond2,…’, ‘v’)该函数求解常微分方程组eq1,…,eqn在初值条件cond1,…,condn下的特解，若不给出初值条件，则求方程组的通解，v给出指定的自变量，如果不给出，默认的自变量为。

微积分-常微分方程解题方法

北京理工大学微积分-常微分方程解法常微分方程各种解题方法程功2011/2/161.几个基本定义（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.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.分类1: 常微分方程：未知函数为一元函数偏微分方程：未知函数为多元函数分类2: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. 一阶微分方程(,,)0,F x y y '=(,);y f x y '=高阶()n 微分方程()(,,,,)0,n F x y y y '= ()(1)(,,,,).n n y f x y y y -'=分类3: 线性与非线性微分方程.()(),y P x y Q x '+=2()20;x y yy x ''-+=分类4: 单个微分方程与微分方程组.32,2,dyy z dxdz y z dx⎧=-⎪⎪⎨⎪=-⎪⎩（2）微分方程的解:代入微分方程能使方程成为恒等式的函数称之.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,且任意常数的个数与微分方程的阶数相同.,y y '=例;x y Ce =通解0,y y ''+=12sin cos ;y C x C x =+通解② 特解: 确定了通解中任意常数以后的解. （3）解的图象: 微分方程的积分曲线. 通解的图象: 积分曲线族.（4）初始条件: 用来确定任意常数的条件. 初值问题: 求微分方程满足初始条件的解的问题.一阶:00(,)x x y f x y y y ='=⎧⎪⎨=⎪⎩过定点的积分曲线;二阶:0000(,,),x x x x y f x y y y y y y =='''=⎧⎪⎨''==⎪⎩过定点且在定点的切线的斜率为定值的积分曲线.2.可分离变量的微分方程可分离变量微分方程的形式()()g y dy f x dx =44225522,dy x y y dy x dx dx-=⇒=例如解法：设函数()g y 和()f x 是连续的,()()g y dy f x dx =⎰⎰设函数()G y 和()F x 是依次为()g y 和()f x 的原函数,()()G y F x C =+为微分方程的解.3.齐次方程形如()dy yf dx x=的微分方程称为齐次方程. 解法：作变量代换,y u x =,y xu =即,dy duu x dx dx∴=+ 代入原式(),du u x f u dx += 即().du f u u dx x-=（可分离变量的方程）（1）()0,f u u -≠当时1ln ,()duC x f u u=-⎰得),u x Ce ϕ=即()()du u f u uϕ=-⎰（）,yu x =将代入(),yx x Ce ϕ=得通解（2）0,u ∃当00()0,f u u -=使0,u u =则是新方程的解,代回原方程0.y u x =得齐次方程的解 4．可化为齐次的方程定义111()dy ax by cf dx a x b y c ++=++形如的微分方程 10,c c ==当时为齐次方程.否则为非齐次方程. 解法：,x X h y Y k =+=+令，（其中h 和k 是待定的常数）,dx dX dy dY ==11111()dY aX bY ah bk c f dX a X b Y a h b k c ++++=++++1110,0,ah bk c a h b k c ++=⎧⎨++=⎩ （1）1122a b a b ≠有唯一一组解.11()dY aX bYf dX a X b Y +=+得通解代回,X x h Y y k =-⎧⎨=-⎩，（2）11,a b a b λ==1(),()dy ax by c f dx ax by c λ++=++方程可化为,z ax by =+令 dz dy a b dx dx =+则，11()().dz z c a f b dx z c λ+-=+可分离变量. 5.其它类型：通过变量代换化为可分离变量方程(1)()()()f x y dx dy g x dx ±±=,u x y =±令,du dx dy =±方程化为()()f u du g x dx = (2)()()()f xy xdy ydx g x dx +=,u xy =令,du xdy ydx =+代入方程得()()f u du g x dx =(3)()()()y f xdy ydx g x dx x -=,y u x =令则2,xdy ydx du x -=代入方程得2()()g x f u du dx x=22(4)()()()f x y xdx ydy g x dx ++=22,u x y =+令则22,du xdx ydy =+代入方程得()2()f u du g x dx =6.线性方程一阶线性微分方程的标准形式:()()dyP x y Q x dx+= ()0,Q x ≡当上方程称为齐次的.()Q x ≡当0,上方程称为非齐次的. 例如2,dy y x dx =+2sin ,dx x t t dt=+线性的; 23,yy xy '-=cos 1,y y '-=非线性的。

第四章微分方程的等效积分形式和加权余量法2014

（4.2.1）讨论： 1）D比A 的微分阶数降低； 2）对u的连续性要求降低； ~ 3）对v及 V 的连续性要求提高； ~ 是已知函数，满足连续性并不困难。 4）v及 V
强制边界条件：选择的φ函数自动满足边界值
如： 0
自然边界条件：场函数φ在Γφ边界上自动满足边界条件
如： k q 0 n
Ni的要求：
1）取自完全函数；
2）线性独立；
3）选择时使之满足强制边界条件和连续性要求。
近似场函数带入原问题的微分方程组和边界条件，不能满足原方程，
产生残差R和 R （余量）。有：
A( Na) R 0
B( Na) R 0 ~ 取n个规定的函数代替任意函数 v和v ，作近似场函数的微分方程组及其边

k dxdy k dxdy v k n dΓ v x x x x x
x

v

v v k k dxdy v dxdy k y n y dΓ y y y y
例题：二维热传导问题
~ qdΓ 0 v k k Q dxdy v k x y y n x q
边界条件满足强制边界条件。
对上式的第一项和二项分部积分有：

• 4.3 基于等效积分形式的近似方法
等效积分求解：
1）精确解难以找到；
2）用近似场函数替代精确场函数设：u为精确场函数；ū 为近似场函数，则：u≈ ū =ΣaiNi=Na （4.3.1） ai为待定参数；Ni为试探函数、基函数，形函数-----已知函数完全的函数系列：任意函数都可以用此序列表示

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。

同济大学高等数学§4.1微分方程的初等积分法

2．通解公式的结构
一阶线性非齐次方程 y P( x) yQ( x) 的通解公式为
y e P( x)dx [ Q( x)e P( x)dx dx C ]
此通解是由两项组成的，一项 Ce P( x)dx 是对应的一阶线性齐次方程 y P( x) y0 的通解，另一项
e P( x)dx Q( x)e P( x)dxdx 是原方程①的特解。
S
1 2
gt
2
C1t
C
2
，
④
把条件②代入③和④，得
0v12g0g20CC110C2 CC12v0 ，
∴所求自由落体的运动规律为S
1 2
gt
2
vt
.
1.微分方程的定义
含有自变量、未知函数及未知函数的导数(或微分)的
等式称为微分方程。未知函数是一元函数的微分方程称为常微分方程，未
知函数是多元函数的微分方程称为偏微分方程。
例 4．求方程 dy y a(lnx) y2 的通解。（伯努利方程）
dx x
解： y2 dy 1 y1 al nx ， dx x
令 z y1 ， dz y2 dy ，则得 dz 1 zal nx ，
dx
dx
dx x
∴
ze
1dx
x[
(al
nx)e
1dx
x dxC
]
x[ a l
nx d x C ] x
， y 3 eC1
sin x
sin x
化简得： y C 3 （C 0 ）。 s i nx
∵ y3 也是方程的解，
∴方程的通解为 y C 3 (CR) 。 s i nx
代入初始条件 y( )0 ，得到C 3 ， 2

几种常见的微分方程简介,解法

第十二章：微分方程教学目的：1．了解微分方程及其解、阶、通解，初始条件和特等概念。

2．熟练掌握变量可分离的微分方程及一阶线性微分方程的解法。

3．会解齐次微分方程、伯努利方程和全微分方程，会用简单的变量代换解某些微分方程。

4.会用降阶法解下列微分方程：()()n y f x =， (,)y f x y '''+和(,)y f y y '''=5.理解线性微分方程解的性质及解的结构定理。

6．掌握二阶常系数齐次线性微分方程的解法，并会解某些高于二阶的常系数齐次线性微分方程。

7.求自由项为多项式、指数函数、余弦函数，以及它们的和与积的二阶常系数非齐次线性微分方程的特解和通解。

8.会解欧拉方程，会解包含两个未知函数的一阶常系数线性微分方程组。

9．会解微分方程组（或方程组）解决一些简单的应用问题。

教学重点：1、可分离的微分方程及一阶线性微分方程的解法2、可降阶的高阶微分方程()()n y f x =， (,)y f x y '''+和(,)y f y y '''=3、二阶常系数齐次线性微分方程；4、自由项为多项式、指数函数、余弦函数，以及它们的和与积的二阶常系数非齐次线性微分方程；教学难点：1、齐次微分方程、伯努利方程和全微分方程；2、线性微分方程解的性质及解的结构定理；3、自由项为多项式、指数函数、余弦函数，以及它们的和与积的二阶常系数非齐次线性微分方程的特解。

4、欧拉方程§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.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)⎰=x d x 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 ).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+-=, )s i n c o s (s i n c o s 212221222kt C kt C k kt C k kt C k dtx 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 .§12. 2 可分离变量的微分方程观察与分析:1. 求微分方程y '=2x 的通解. 为此把方程两边积分, 得y =x 2+C .一般地, 方程y '=f (x )的通解为C dx x f y +=⎰)((此处积分后不再加任意常数).2. 求微分方程y '=2xy 2 的通解.因为y 是未知的, 所以积分⎰dx xy 22无法进行, 方程两边直接积分不能求出通解.为求通解可将方程变为x d x dy y 212=, 两边积分, 得 C x y +=-21, 或Cx y +-=21, 可以验证函数C x y +-=21是原方程的通解. 一般地, 如果一阶微分方程y '=ϕ(x , y )能写成g (y )dy =f (x )dx形式, 则两边积分可得一个不含未知函数的导数的方程G (y )=F (x )+C ,由方程G (y )=F (x )+C 所确定的隐函数就是原方程的通解对称形式的一阶微分方程:一阶微分方程有时也写成如下对称形式:P (x , y )dx +Q (x , y )dy =0在这种方程中, 变量x 与y 是对称的.若把x 看作自变量、y 看作未知函数, 则当Q (x ,y )≠0时, 有),(),(y x Q y x P dx dy -=. 若把y 看作自变量、x 看作未知函数, 则当P (x ,y )≠0时, 有),(),(y x P y x Q dy dx -=. 可分离变量的微分方程:如果一个一阶微分方程能写成g (y )dy =f (x )dx (或写成y '=ϕ(x )ψ(y ))的形式, 就是说, 能把微分方程写成一端只含y 的函数和dy , 另一端只含x 的函数和dx , 那么原方程就称为可分离变量的微分方程.讨论: 下列方程中哪些是可分离变量的微分方程？(1) y '=2xy , 是. ⇒y -1dy =2xdx .(2)3x 2+5x -y '=0, 是. ⇒dy =(3x 2+5x )dx .(3)(x 2+y 2)dx -xydy =0, 不是.(4)y '=1+x +y 2+xy 2, 是. ⇒y '=(1+x )(1+y 2).(5)y '=10x +y , 是. ⇒10-y dy =10x dx . (6)xy y x y +='. 不是. 可分离变量的微分方程的解法:第一步分离变量, 将方程写成g (y )dy =f (x )dx 的形式;第二步两端积分:⎰⎰=dx x f dy y g )()(, 设积分后得G (y )=F (x )+C ;第三步求出由G (y )=F (x )+C 所确定的隐函数y =Φ(x )或x =ψ(y )G (y )=F (x )+C , y =Φ (x )或x =ψ(y )都是方程的通解, 其中G (y )=F (x )+C 称为隐式(通)解.例1 求微分方程xy dxdy 2=的通解. 解此方程为可分离变量方程, 分离变量后得x d x dy y21=, 两边积分得⎰⎰=x d x dy y 21, 即 ln|y |=x 2+C 1,从而 2112x C C x e e e y ±=±=+. 因为1C e ±仍是任意常数, 把它记作C , 便得所给方程的通解2x Ce y =.解此方程为可分离变量方程, 分离变量后得x d x dy y21=, 两边积分得 ⎰⎰=x d x dy y 21,即 ln|y |=x 2+ln C ,从而 2x Ce y =.例2 铀的衰变速度与当时未衰变的原子的含量M 成正比. 已知t =0时铀的含量为M 0, 求在衰变过程中铀含量M (t )随时间t 变化的规律.解铀的衰变速度就是M (t )对时间t 的导数dtdM . 由于铀的衰变速度与其含量成正比, 故得微分方程M dtdM λ-=, 其中λ(λ>0)是常数, λ前的曲面号表示当t 增加时M 单调减少. 即0<dt dM . 由题意, 初始条件为M |t =0=M 0.将方程分离变量得dt MdM λ-=. 两边积分, 得⎰⎰-=dt M dM)(λ, 即 ln M =-λt +ln C , 也即M =Ce -λt .由初始条件, 得M 0=Ce 0=C ,所以铀含量M (t )随时间t 变化的规律M =M 0e -λt .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.解设降落伞下落速度为v (t ). 降落伞所受外力为F =mg -kv ( k 为比例系数). 根据牛顿第二运动定律F =ma , 得函数v (t )应满足的方程为kv mg dtdv m -=, 初始条件为v |t =0=0.方程分离变量, 得mdt kv mg dv =-, 两边积分, 得⎰⎰=-mdt kv mg dv , 1)l n (1C m t kv mg k+=--, 即 t m k Ce k m g v -+=(ke C kC 1--=), 将初始条件v |t =0=0代入通解得km g C -=, 于是降落伞下落速度与时间的函数关系为)1(t m k e km g v --=. 例4 求微分方程221xy y x dxdy +++=的通解. 解方程可化为)1)(1(2y x dxdy ++=, 分离变量得dx x dy y )1(112+=+, 两边积分得⎰⎰+=+dx x dy y )1(112, 即C x x y ++=221arctan . 于是原方程的通解为)21tan(2C x x y ++=.例5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1cm 2. 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:gh S dtdV Q 262.0==, 其中0. 62为流量系数, S 为孔口横截面面积, g 为重力加速度. 现在孔口横截面面积S =1cm 2, 故 gh dtdV 262.0=, 或dt gh dV 262.0=. 另一方面, 设在微小时间间隔[t , t +d t ]内, 水面高度由h 降至h +dh (dh <0), 则又可得到dV =-πr 2dh ,其中r 是时刻t 的水面半径, 右端置负号是由于dh <0而dV >0的缘故. 又因222200)100(100h h h r -=--=,所以 dV =-π(200h -h 2)dh .通过比较得到dh h h dt gh )200(262.02--=π,这就是未知函数h =h (t )应满足的微分方程.此外, 开始时容器内的水是满的, 所以未知函数h =h (t )还应满足下列初始条件:h |t =0=100.将方程dh h h dt gh )200(262.02--=π分离变量后得dh h h g dt )200(262.02321--=π. 两端积分, 得⎰--=dh h h g t )200(262.02321π,即 C h h g t +--=)523400(262.02523π, 其中C 是任意常数.由初始条件得C g t +⨯-⨯-=)100521003400(262.02523π, 5101514262.0)52000003400000(262.0⨯⨯=-=g g C ππ. 因此 )310107(262.05335h h g t +-⨯=π.上式表达了水从小孔流出的过程中容器内水面高度h 与时间t 之间的函数关系.§12. 3 齐次方程齐次方程:如果一阶微分方程),(y x f dxdy =中的函数f (x , y )可写成 x y 的函数, 即)(),(xy y x f ϕ=, 则称这方程为齐次方程. 下列方程哪些是齐次方程？(1)022=---'x y y y x 是齐次方程.1)(222-+=⇒-+=⇒x y x y dx dy x x y y dx dy . (2)2211y y x -='-不是齐次方程.2211x y dx dy --=⇒. (3)(x 2+y 2)dx -xydy =0是齐次方程. x y y x dx dy xy y x dx dy +=⇒+=⇒22. (4)(2x +y -4)dx +(x +y -1)dy =0不是齐次方程.142-+-+-=⇒y x y x dx dy . (5)0ch 3)ch 3sh 2(=-+dy xy x dx x y y x y x 是齐次方程. x y x y dx dy xy x x y y x y x dx dy +=⇒+=⇒th 32ch 3ch 3sh 2齐次方程的解法:在齐次方程)(xy dx dy ϕ=中, 令x y u =, 即y =ux , 有 )(u dx du x u ϕ=+, 分离变量, 得xdx u u du =-)(ϕ.两端积分, 得⎰⎰=-xdx u 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dx dy xy dx dy x y =+22. 解原方程可写成1)(222-=-=x y x y x xy y dx dy , 因此原方程是齐次方程. 令u x y =, 则 y =ux ,dxdu x u dx dy +=, 于是原方程变为12-=+u u dx du x u , 即 1-=u u dx du x . 分离变量, 得xdx du u =-)11(. 两边积分, 得u -ln|u |+C =ln|x |,或写成ln|xu |=u +C . 以xy 代上式中的u , 便得所给方程的通解 C xy y +=||ln . 例2 有旋转曲面形状的凹镜, 假设由旋转轴上一点O 发出的一切光线经此凹镜反射后都与旋转轴平行. 求这旋转曲面的方程.解设此凹镜是由xOy 面上曲线L : y =y (x )(y >0)绕x 轴旋转而成, 光源在原点. 在L 上任取一点M (x , y ), 作L 的切线交x 轴于A . 点O 发出的光线经点M 反射后是一条平行于x 轴射线. 由光学及几何原理可以证明OA =OM ,因为 x y y OP PM OP AP OA -'=-=-=αcot , 而 22y x OM +=. 于是得微分方程22y x x y y +=-', 整理得1)(2++=yx y x dy dx . 这是齐次方程. 问题归结为解齐次方程1)(2++=y x y x dy dx . 令v y x =, 即x =yv , 得12++=+v v dy dv y v , 即 12+=v dydv y , 分离变量, 得y dy v dv =+12, 两边积分, 得 C y v v ln ln )1ln(2-=++, C y v v =++⇒12, 1)(22+=-⇒v v Cy , 1222=-Cyv C y , 以yv =x 代入上式, 得)2(22C x C y +=. 这是以x 轴为轴、焦点在原点的抛物线, 它绕x 轴旋转所得旋转曲面的方程为)2(222C x C z y +=+. 这就是所求的旋转曲面方程. .例3 设一条河的两岸为平行直线, 水流速度为a , 有一鸭子从岸边点A 游向正对岸点O , 设鸭子的游速为b (b >a ), 且鸭子游动方向始终朝着点O , 已知OA =h , 求鸭子游过的迹线的方程. 解取O 为坐标原点, 河岸朝顺水方向为x 轴, y 轴指向对岸. 设在时刻t 鸭子位于点P (x , y ), 则鸭子运动速度) ,() ,(dtdy dt dx v v y x ==v , 故有y x v v dy dx =. 另一方面, ) ,()0 ,(2222y x y y x x b a +-+-+=+=b a v , ) ,(2222y x by y x bx a +-+-=v . 因此yx y x b a v v dy dx y x ++-==1)(2, 即y x y x b a dy dx ++-=1)(2. 问题归结为解齐次方程y x y x b a dy dx ++-=1)(2. 令u y x =, 即x =yu , 得 12+-=u ba dy du y , 分离变量, 得dy by a u du -=+12, 两边积分, 得 )ln (ln arsh C y ab u +-=, 将yx u =代入上式并整理, 得])()[(2111b a b a Cy Cy C x +--=. 以x |y =h =0代入上式, 得hC 1=, 故鸭子游过的轨迹方程为 ])()[(211b a b a hy h y h x +--=, 0≤y ≤h . 将y x u =代入)ln (ln arsh C y ab u +-=后的整理过程: )ln (ln arsh C y ab y x +-= a b Cy y x -=⇒)ln(sh ])()[(21a ba b Cy Cy y x -=⇒- ])()[(2a b a b Cy Cy y x -=⇒-])()[(2111b b Cy Cy C x +--=⇒.§12.4 线性微分方程一、线性方程线性方程:方程)()(x Q y x P dxdy =+叫做一阶线性微分方程. 如果Q (x )≡0 , 则方程称为齐次线性方程, 否则方程称为非齐次线性方程. 方程0)(=+y x P dx dy 叫做对应于非齐次线性方程)()(x Q y x P dxdy =+的齐次线性方程. 下列方程各是什么类型方程？ (1)y dx dy x =-)2(⇒021=--y x dx dy 是齐次线性方程. (2) 3x 2+5x -5y '=0⇒y '=3x 2+5x , 是非齐次线性方程.(3) y '+y cos x =e -sin x , 是非齐次线性方程.(4)y x dxdy +=10, 不是线性方程. (5)0)1(32=++x dxdy y ⇒0)1(23=+-y x dx dy 或32)1(x y dy dx +-, 不是线性方程. 齐次线性方程的解法:齐次线性方程0)(=+y x P dx dy 是变量可分离方程. 分离变量后得 dx x P ydy )(-=, 两边积分, 得1)(||ln C dx x P y +-=⎰,或 )( 1)(C dx x P e C Ce y ±=⎰=-, 这就是齐次线性方程的通解（积分中不再加任意常数）.例1 求方程y dxdy x =-)2(的通解. 解这是齐次线性方程, 分离变量得2-=x dx y dy , 两边积分得ln|y |=ln|x -2|+lnC ,方程的通解为y =C (x -2).非齐次线性方程的解法:将齐次线性方程通解中的常数换成x 的未知函数u (x ), 把⎰=-dx x P e x u y )()(设想成非齐次线性方程的通解. 代入非齐次线性方程求得)()()()()()()()()(x Q e x u x P x P e x u e x u dx x P dx x P dx x P =⎰+⎰-⎰'---, 化简得 ⎰='dx x P e x Q x u )()()(,C dx e x Q x u dx x P +⎰=⎰)()()(,于是非齐次线性方程的通解为])([)()(C dx e x Q e y dx x P dx x P +⎰⎰=⎰-, 或 dx e x Q e Ce y dx x P dx x P dx x P ⎰⎰⎰+⎰=--)()()()(. 非齐次线性方程的通解等于对应的齐次线性方程通解与非齐次线性方程的一个特解之和.例2 求方程25)1(12+=+-x x y dx dy 的通解. 解这是一个非齐次线性方程.先求对应的齐次线性方程012=+-x y dx dy 的通解. 分离变量得12+=x dx y dy , 两边积分得ln y =2ln (x +1)+ln C ,齐次线性方程的通解为y =C (x +1)2.用常数变易法. 把C 换成u , 即令y =u ⋅(x +1)2, 代入所给非齐次线性方程, 得2522)1()1(12)1(2)1(+=+⋅+-+⋅++⋅'x x u x x u x u 21)1(+='x u ,两边积分, 得C x u ++=23)1(32. 再把上式代入y =u (x +1)2中, 即得所求方程的通解为 ])1(32[)1(232C x x y +++=. 解: 这里12)(+-=x x P , 25)1()(+=x x Q . 因为 )1ln(2)12()(+-=+-=⎰⎰x dx x dx x P , 2)1l n (2)()1(+==⎰+-x e e x dx x P , 2321225)()1(32)1()1()1()(+=+=++=⎰⎰⎰⎰-x dx x dx x x dx e x Q dx x P , 所以通解为])1(32[)1(])([232)()(C x x C dx e x Q e y dx x P dx x P +++=+⎰⎰=⎰-. 例3 有一个电路如图所示, 其中电源电动势为E =E m sin ωt (E m 、ω都是常数), 电阻R 和电感L 都是常量. 求电流i (t ).解由电学知道, 当电流变化时, L 上有感应电动势dt di L-. 由回路电压定律得出 0=--iR dt di LE , 即 LE i L R dt di =+. 把E =E m sin ω t 代入上式, 得t LE i L R dt di m sin ω=+. 初始条件为i |t =0=0.方程t LE i L R dt di m sin ω=+为非齐次线性方程, 其中 L R t P =)(, t L E t Q m s i n )(ω=. 由通解公式, 得])([)()()(C dt e t Q e t i dt t P dt t P +⎰⎰=⎰-) s i n (C dt e t L E e dt L Rm dt L R +⎰⎰=⎰-ω )s i n (C dt te e LE t L R t L Rm +=⎰-ω t L R m Ce t L t R LR E -+-+=) cos sin (222ωωωω. 其中C 为任意常数.将初始条件i |t =0=0代入通解, 得222 LR LE C m ωω+=, 因此, 所求函数i (t )为) c o s s i n ( )(222222t L t R L R E e L R LE t i m t L R m ωωωωωω-+++=-. 二、伯努利方程伯努利方程: 方程n y x Q y x P dxdy )()(=+ (n ≠0, 1) 叫做伯努利方程.下列方程是什么类型方程？(1)4)21(3131y x y dx dy -=+, 是伯努利方程. (2)5xy y dxdy +=, ⇒5xy y dx dy =-, 是伯努利方程. (3)x y y x y +=', ⇒11-=-'xy y x y , 是伯努利方程.(4)x xy dxdy 42=-, 是线性方程, 不是伯努利方程. 伯努利方程的解法: 以y n 除方程的两边, 得 )()(1x Q y x P dx dy y n n=+-- 令z =y 1-n , 得线性方程)()1()()1(x Q n z x P n dxdz -=-+. 例4 求方程2)(ln y x a xy dx dy -+的通解. 解以y 2除方程的两端, 得x a y xdx dy y ln 112=+--, 即 x a y x dx y d ln 1)(11=+---, 令z =y -1, 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 ])(l n 2[2x aC x z -=.以y -1代z , 得所求方程的通解为1])(l n 2[2=-x a C yx .经过变量代换, 某些方程可以化为变量可分离的方程, 或化为已知其求解方法的方程. 例5 解方程yx dx dy +=1. 解若把所给方程变形为y x dydx +=, 即为一阶线性方程, 则按一阶线性方程的解法可求得通解. 但这里用变量代换来解所给方程. 令x +y =u , 则原方程化为u dx du 11=-, 即uu dx du 1+=.分离变量, 得dx du u u =+1, 两端积分得u -ln|u +1|=x -ln|C |.以u =x +y 代入上式, 得y -ln|x +y +1|=-ln|C |, 或x =Ce y -y -1.§12. 5 全微分方程全微分方程:一个一阶微分方程写成P (x , y )dx +Q (x , y )dy =0形式后, 如果它的左端恰好是某一个函数u =u (x , y )的全微分:du (x , y )=P (x , y )dx +Q (x , y )dy ,那么方程P (x , y )dx +Q (x , y )dy =0就叫做全微分方程. 这里),(y x P x u =∂∂, ),(y x Q yu =∂∂, 而方程可写为du (x , y )=0.全微分方程的判定:若P (x , y )、Q (x , y )在单连通域G 内具有一阶连续偏导数, 且xQ y P ∂∂=∂∂, 则方程P (x , y )dx +Q (x , y )dy =0是全微分方程,全微分方程的通解:若方程P (x , y )dx +Q (x , y )dy =0是全微分方程, 且du (x , y )=P (x , y )dx +Q (x , y )dy则 u (x , y )=C ,即 )),(( ),(),(00000G y x C dx y x Q dx y x P yy x x ∈=+⎰⎰.是方程P (x , y )dx +Q (x , y )dy =0的通解例1 求解(5x 4+3xy 2-y 3)dx +(3x 2y -3xy 2+y 2 )dy =0.解这里xQ y xy y P ∂∂=-=∂∂236, 所以这是全微分方程. 取(x 0, y 0)=(0, 0), 有 ⎰⎰+-+=y x dy y dx y xy x y x u 020324)35(),( 332253123y xy y x x +-+=.于是, 方程的通解为C y xy y x x =+-+332253123.积分因子:若方程P (x , y )dx +Q (x , y )dy =0不是全微分方程, 但存在一函数μ=μ(x , y ) (μ(x , y )≠0), 使方程μ(x , y )P (x , y )dx +μ(x , y )Q (x , y )dy =0是全微分方程, 则函数μ(x , y )叫做方程P (x , y )dx +Q (x , y )dy =0的积分因子.例2 通过观察求方程的积分因子并求其通解:(1)ydx -xdy =0;(2)(1+xy )ydx +(1-xy )xdy =0.解 (1)方程ydx -xdy =0不是全微分方程.因为2)(y x d y y d x y xd -=, 所以21y 是方程ydx -xdy =0的积分因子, 于是 02=-y xdy ydx 是全微分方程, 所给方程的通解为C y x =. (2)方程(1+xy )ydx +(1-xy )xdy =0不是全微分方程.将方程的各项重新合并, 得(ydx +xdy )+xy (ydx -xdy )=0,再把它改写成0)()(22=-+y dy x dx y x xy d , 这时容易看出2)(1xy 为积分因子, 乘以该积分因子后, 方程就变为 0)()(2=-+ydy x dx xy xy d , 积分得通解C yx xy ln ||ln 1=+-, 即xy Ce y x 1=. 我们也可用积分因子的方法来解一阶线性方程y '+P (x )y =Q (x ).可以验证⎰=dx x P e x )()(μ是一阶线性方程y '+P (x )y =Q (x )的一个积分因子. 在一阶线性方程的两边乘以⎰=dx x P e x )()(μ得 ⎰=⎰+⎰'dx x P dx x P dx x P e x Q e x yP e y )()()()()(, 即 ⎰='⎰+⎰'dx x P dx x P dx x P e x Q e y e y )()()()(][, 亦即 ⎰='⎰dx x P dx x P e x Q ye )()()(][.两边积分, 便得通解C dx e x Q ye dx x P dx x P +⎰=⎰⎰)()()(,或 ])([)()(C dx e x Q e y dx x P dx x P +⎰⎰=⎰-. 例3用积分因子求x xy dxdy 42=+的通解. 解方程的积分因子为22)(x x d x e e x =⎰=μ.方程两边乘以2x e 得22242x x x xe y xe e y =+', 即224)(x x xe y e =',于是 C e dx xe y e x x x +==⎰22224. 因此原方程的通解为2224x x Ce dx xe y -+==⎰. §12. 6 可降阶的高阶微分方程一、y (n )=f (x )型的微分方程解法: 积分n 次1)1()(C dx x f y n +=⎰-, 21)2(])([C dx C dx x f y n ++=⎰⎰-, ⋅ ⋅ ⋅.例1 求微分方程y '''=e 2x -cos x 的通解.解对所给方程接连积分三次, 得12s i n 21C x e y x +-='',212c o s 41C x C x e y x +++=',3221221s i n 81C x C x C x e y x ++++=,这就是所给方程的通解.或 122sin 21C x e y x +-='',2122c o s 41C x C x e y x +++=',32212s i n 81C x C x C x e y x ++++=,这就是所给方程的通解.例2 质量为m 的质点受力F 的作用沿Ox 轴作直线运动. 设力F 仅是时间t 的函数:F =F (t ). 在开始时刻t =0时F (0)=F 0, 随着时间t 的增大, 此力F 均匀地减小, 直到t =T 时, F (T )=0. 如果开始时质点位于原点, 且初速度为零, 求这质点的运动规律.解设x =x (t )表示在时刻t 时质点的位置, 根据牛顿第二定律, 质点运动的微分方程为)(22t F dtx d m =. 由题设, 力F (t )随t 增大而均匀地减小, 且t =0时, F (0)=F 0, 所以F (t )=F 0-kt ; 又当t =T 时, F (T )=0, 从而)1()(0Tt F t F -=.于是质点运动的微分方程又写为)1(022T t mF dt x d -=, 其初始条件为0|0==t x , 0|0==t dt dx . 把微分方程两边积分, 得120)2(C Tt t m F dt dx +-=. 再积分一次, 得21320)621(C t C Tt t m F x ++-=. 由初始条件x |t =0=0,0|0==t dt dx , 得C 1=C 2=0.于是所求质点的运动规律为 )621(320Tt t m F x -=, 0≤t ≤T . 解设x =x (t )表示在时刻t 时质点的位置,根据牛顿第二定律, 质点运动的微分方程为mx ''=F (t ).由题设, F (t )是线性函数, 且过点(0, F 0)和(T , 0),故 1)(0=+T t F t F , 即)1()(0Tt F t F -=. 于是质点运动的微分方程又写为)1(0Tt m F x -=''. 其初始条件为x |t =0=0, x '|t =0=0.把微分方程两边积分, 得120)2(C Tt t m F x +-=', 再积分一次, 得2320)621(C Tt t m F x +-=, 由初始条件x |t =0=0, x '|t =0=0,得C 1=C 2=0.于是所求质点的运动规律为)621(320Tt t m F x -=, 0≤t ≤T . 二、y ''= f (x , y ')型的微分方程解法:设y '=p 则方程化为p '=f (x , p ).设p '=f (x , p )的通解为p =ϕ(x ,C 1), 则),(1C x dxdy ϕ=. 原方程的通解为21),(C dx C x y +=⎰ϕ.例3 求微分方程()2xy''y'x 12=+满足初始条件 y |x =0=1, y '|x =0=3的特解.解所给方程是y ''=f (x , y ')型的. 设y '=p , 代入方程并分离变量后, 有dx x x p dp 212+=. 两边积分, 得ln|p |=ln(1+x 2)+C ,即 p =y '=C 1(1+x 2) (C 1=±e C ).由条件y '|x =0=3, 得C 1=3,所以 y '=3(1+x 2).两边再积分, 得 y =x 3+3x +C 2.又由条件y |x =0=1, 得C 2=1,于是所求的特解为y =x 3+3x +1.例4 设有一均匀、柔软的绳索, 两端固定, 绳索仅受重力的作用而下垂. 试问该绳索在平衡状态时是怎样的曲线?三、y ''=f (y , y ')型的微分方程解法: 设y '=p ,有dydp p dx dy dy dp dx dp y =⋅==''. 原方程化为 ),(p y f dydp p=. 设方程),(p y f dy dp p =的通解为y '=p =ϕ(y , C 1), 则原方程的通解为 21),(C x C y dy +=⎰ϕ.例5 求微分yy ''-y '2=0的通解. 解设y '=p , 则dy dp py ='', 代入方程, 得02=-p dydp yp . 在y ≠0、p ≠0时, 约去p 并分离变量, 得ydy p dp =. 两边积分得ln|p |=ln|y |+ln c ,即 p =Cy 或y '=Cy (C =±c ).再分离变量并两边积分, 便得原方程的通解为ln|y |=Cx +ln c 1,或 y =C 1e Cx (C 1=±c 1).例6 一个离地面很高的物体,受地球引力的作用由静止开始落向地面. 求它落到地面时的速度和所需的时间（不计空气阻力）.§12. 7 高阶线性微分方程一、二阶线性微分方程举例例1 设有一个弹簧, 上端固定, 下端挂一个质量为m 的物体. 取x 轴铅直向下, 并取物体的平衡位置为坐标原点.给物体一个初始速度v 0≠0后, 物体在平衡位置附近作上下振动. 在振动过程中, 物体的位置x 是t 的函数: x =x (t ).设弹簧的弹性系数为c , 则恢复力f =-cx .又设物体在运动过程中受到的阻力的大小与速度成正比, 比例系数为μ, 则dtdx R μ-, 由牛顿第二定律得dt dx cx dtx d m μ--=22. 移项, 并记mn μ=2, m c k =2, 则上式化为 02222=++x k dt dx n dt x d , 这就是在有阻尼的情况下, 物体自由振动的微分方程.如果振动物体还受到铅直扰力F =H sin pt的作用, 则有pt h x k dt dx n dt x d sin 2222=++, 其中mH h =. 这就是强迫振动的微分方程. 例2 设有一个由电阻R 、自感L 、电容C 和电源E 串联组成的电路, 其中R 、L 、及C 为常数, 电源电动势是时间t 的函数: E =E m sin ωt , 这里E m 及ω也是常数.设电路中的电流为i (t ), 电容器极板上的电量为q (t ), 两极板间的电压为u c , 自感电动势为E L . 由电学知道dt dq i =, Cq u c =, dt di L E L -=, 根据回路电压定律, 得0=---Ri Cq dt di LE , 即 t E u dt du RC dt u d LC m c c c ωsin 22=++, 或写成t LC E u dt du dt u d m c c c ωωβsin 22022=++,其中L R 2=β, LC10=ω. 这就是串联电路的振荡方程. 如果电容器经充电后撤去外电源(E =0), 则上述成为022022=++c c c u dt du dtu d ωβ. 二阶线性微分方程: 二阶线性微分方程的一般形式为y ''+P (x )y '+Q (x )y =f (x ),若方程右端f (x )≡0时, 方程称为齐次的, 否则称为非齐次的.二、线性微分方程的解的结构先讨论二阶齐次线性方程y ''+P (x )y '+Q (x )y =0, 即0)()(22=++y x Q dx dy x P dxy d . 定理1 如果函数y 1(x )与y 2(x )是方程y ''+P (x )y '+Q (x )y =0.的两个解, 那么y =C 1y 1(x )+C 2y 2(x )也是方程的解, 其中C 1、C 2是任意常数.齐次线性方程的这个性质表明它的解符合叠加原理.证明 [C 1y 1+C 2y 2]'=C 1 y 1'+C 2 y 2',[C 1y 1+C 2y 2]''=C 1 y 1''+C 2 y 2''.因为y 1与y 2是方程y ''+P (x )y '+Q (x )y =0, 所以有y 1''+P (x )y 1'+Q (x )y 1=0及y 2''+P (x )y 2'+Q (x )y 2=0,从而 [C 1y 1+C 2y 2]''+P (x )[ C 1y 1+C 2y 2]'+Q (x )[ C 1y 1+C 2y 2]=C 1[y 1''+P (x )y 1'+Q (x )y 1]+C 2[y 2''+P (x )y 2'+Q (x )y 2]=0+0=0.这就证明了y =C 1y 1(x )+C 2y 2(x )也是方程y ''+P (x )y '+Q (x )y =0的解函数的线性相关与线性无关:设y 1(x ), y 2(x ), ⋅ ⋅ ⋅ , y n (x )为定义在区间I 上的n 个函数. 如果存在n 个不全为零的常数k 1, k 2, ⋅ ⋅ ⋅ , k n , 使得当x ∈I 时有恒等式k 1y 1(x )+k 2y 2(x )+ ⋅ ⋅ ⋅ + k n y n (x )≡0成立, 那么称这n 个函数在区间I 上线性相关; 否则称为线性无关.判别两个函数线性相关性的方法:对于两个函数,它们线性相关与否,只要看它们的比是否为常数,如果比为常数,那么它们就线性相关,否则就线性无关.例如, 1, cos2x, sin2x在整个数轴上是线性相关的.函数1,x,x2在任何区间(a, b)内是线性无关的.定理2 如果如果函数y1(x)与y2(x)是方程y''+P(x)y'+Q(x)y=0的两个线性无关的解,那么y=C1y1(x)+C2y2(x) (C1、C2是任意常数)是方程的通解.例3 验证y1=cos x与y2=sin x是方程y''+y=0的线性无关解,并写出其通解.解因为y1''+y1=-cos x+cos x=0,y2''+y2=-sin x+sin x=0,所以y1=cos x与y2=sin x都是方程的解.因为对于任意两个常数k1、k2,要使k1cos x+k2sin x≡0,只有k1=k2=0,所以cos x与sin x在(-∞, +∞)内是线性无关的.因此y1=cos x与y2=sin x是方程y''+y=0的线性无关解.方程的通解为y=C1cos x+C2sin x.例4 验证y1=x与y2=e x是方程(x-1)y''-xy'+y=0的线性无关解,并写出其通解.解因为(x-1)y1''-xy1'+y1=0-x+x=0,(x-1)y2''-xy2'+y2=(x-1)e x-xe x+e x=0,所以y1=x与y2=e x都是方程的解,因为比值e x/x不恒为常数,所以y1=x与y2=e x在(-∞, +∞)内是线性无关的.因此y1=x与y2=e x是方程(x-1)y''-xy'+y=0的线性无关解.方程的通解为y=C1x+C2e x.推论如果y1(x),y2(x),⋅⋅⋅,y n(x)是方程y(n)+a1(x)y(n-1)+⋅⋅⋅+a n-1(x)y'+ a n(x)y=0的n个线性无关的解,那么,此方程的通解为y=C1y1(x)+C2y2(x)+⋅⋅⋅+ C n y n(x),其中C1,C2,⋅⋅⋅,C n为任意常数.二阶非齐次线性方程解的结构:我们把方程y''+P(x)y'+Q(x)y=0叫做与非齐次方程y''+P(x)y'+Q(x)y=f(x)对应的齐次方程.定理3 设y*(x)是二阶非齐次线性方程y''+P(x)y'+Q(x)y=f(x)的一个特解,Y(x)是对应的齐次方程的通解,那么y=Y(x)+y*(x)是二阶非齐次线性微分方程的通解.证明提示: [Y(x)+y*(x)]''+P(x)[ Y(x)+y*(x)]'+Q(x)[ Y(x)+y*(x)]=[Y ''+P(x)Y '+Q(x)Y ]+[ y* ''+P(x)y* '+Q(x)y*]=0+ f(x)= f(x).例如,Y=C1cos x+C2sin x是齐次方程y''+y=0的通解,y*=x2-2是y''+y=x2的一个特解,因此y=C1cos x+C2sin x+x2-2是方程y''+y=x2的通解.定理4 设非齐次线性微分方程y''+P(x)y'+Q(x)y=f(x)的右端f(x)几个函数之和,如y''+P(x)y'+Q(x)y=f1(x)+f2(x),而y1*(x)与y2*(x)分别是方程y''+P(x)y'+Q(x)y=f1(x)与y''+P(x)y'+Q(x)y=f2(x)的特解,那么y1*(x)+y2*(x)就是原方程的特解.证明提示:[y1+y2*]''+P(x)[ y1*+y2*]'+Q(x)[ y1*+y2*]=[ y1*''+P(x) y1*'+Q(x) y1*]+[ y2*''+P(x) y2*'+Q(x) y2*]=f 1(x )+f 2(x ).§12. 8 二阶常系数齐次线性微分方程二阶常系数齐次线性微分方程:方程 y ''+py '+qy =0称为二阶常系数齐次线性微分方程, 其中p 、q 均为常数.如果y 1、y 2是二阶常系数齐次线性微分方程的两个线性无关解, 那么y =C 1y 1+C 2y 2就是它的通解.我们看看, 能否适当选取r , 使y =e rx 满足二阶常系数齐次线性微分方程, 为此将y =e rx 代入方程y ''+py '+qy =0得(r 2+pr +q )e rx =0.由此可见, 只要r 满足代数方程r 2+pr +q =0, 函数y =e rx 就是微分方程的解.特征方程: 方程r 2+pr +q =0叫做微分方程y ''+py '+qy =0的特征方程. 特征方程的两个根r 1、r 2可用公式 2422,1q p p r -±+-=求出. 特征方程的根与通解的关系:(1)特征方程有两个不相等的实根r 1、r 2时,函数x r e y 11=、x r e y 22=是方程的两个线性无关的解.这是因为,函数x r e y 11=、x r e y 22=是方程的解, 又x r r xr x r e e e y y )(212121-==不是常数. 因此方程的通解为x r x r e C e C y 2121+=.(2)特征方程有两个相等的实根r 1=r 2时,函数x r e y 11=、x r xe y 12=是二阶常系数齐次线性微分方程的两个线性无关的解.这是因为, x r e y 11=是方程的解, 又x r x r x r x r x r x r q x e e xr p e xr r xe q xe p xe 111111)1()2()()()(1211++++=+'+''0)()2(121111=++++=q pr r xe p r e x r x r ,所以xr xe y 12=也是方程的解, 且x e xe y y x r x r ==1112不是常数. 因此方程的通解为x r x r xe C e C y 1121+=.(3)特征方程有一对共轭复根r 1, 2=α±i β时,函数y =e (α+i β)x 、y =e (α-i β)x 是微分方程的两个线性无关的复数形式的解.函数y =e αx cos βx 、y =e αx sin βx 是微分方程的两个线性无关的实数形式的解.函数y 1=e (α+i β)x 和y 2=e (α-i β)x 都是方程的解, 而由欧拉公式, 得y 1=e (α+i β)x =e αx (cos βx +i sin βx ),y 2=e (α-i β)x =e αx (cos βx -i sin βx ),y 1+y 2=2e αx cos βx , )(21cos 21y y x e x +=βα, y 1-y 2=2ie αx sin βx , )(21sin 21y y ix e x -=βα. 故e αx cos βx 、y 2=e αx sin βx 也是方程解.可以验证, y 1=e αx cos βx 、y 2=e αx sin βx 是方程的线性无关解.因此方程的通解为y =e αx (C 1cos βx +C 2sin βx ).求二阶常系数齐次线性微分方程y ''+py '+qy =0的通解的步骤为:第一步写出微分方程的特征方程r 2+pr +q =0第二步求出特征方程的两个根r 1、r 2.第三步根据特征方程的两个根的不同情况, 写出微分方程的通解.例1 求微分方程y ''-2y '-3y =0的通解.。

常微分方程总结 PPT

2. 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 . y 3 .齐次方程的求解方法: 令 u , x
8
机动目录上页下页返回结束
3. 解微分方程应用题的方法和步骤
(1) 找出事物的共性及可贯穿于全过程的规律列方程. 常用的方法: 1) 根据几何关系列方程 ( 如: P263,5(2) ) 2) 根据物理规律列方程 ( 如: 例4 , 例 5 )
线性无关概念.
23
机动目录上页下页返回结束
定义: 设 y1 ( x), y2 ( x),, yn ( x) 是定义在区间 I 上的
n 个函数, 若存在不全为 0 的常数使得
则称这 n个函数在 I 上线性相关, 否则称为线性无关. 例如，在( , )上都有
故它们在任何区间 I 上都线性相关;
微分方程的基本概念
含未知函数及其导数的方程叫做微分方程 . 常微分方程 (本章内容)
分类
偏微分方程
方程中所含未知函数导数的最高阶数叫做微分方程
的阶. 一般地 , n 阶常微分方程的形式是
F ( x, y, y,, y ( n ) ) 0
或
y ( n ) f ( x, y, y,, y ( n 1) ) ( n 阶显式微分方程)
y p( x) y q( x) y f ( x) ,
y
( n) ( n 1)
为二阶线性微分方程.
n 阶线性微分方程的一般形式为
a1 ( x) y an 1 ( x) y an ( x) y f ( x) f ( x) 0 时, 称为非齐次方程 ;
f ( x) 0 时, 称为齐次方程.
若 Q(x) 0, 称为非齐次方程 . dy P( x) y 0 1. 解齐次方程 dx

§2.1 定解条件

2、定解问题的适定性
在求解的偏微分方程的定解问题时，必须首先确定三个关键问题： 1、定解问题存在性————有解；如果定解条件过多，互相矛盾，则定解问题无解。定解问题有解，要求所给定解条件数合适，且互相自洽，保证定解的存在。 2、定解问题的唯一性————解是唯一的；如果定解条件不足，则定解问题的解就不是唯一的。定解问题如果要求有唯一解，则所给定解条件数就要合适、充分，使得定解问题是唯一的。
K c
u ( x, t ) 0
2
①，系统被置于固定热源当中，即边界上的温度已知：
u(x,t)
S
(S , t)
②，通过边界单位时间流入系统内的热量已知，即：
q(x,t) n
xS
(S , t)
x S
根据Fourier定律： K u ( x , t ) n
u ( x , t ) t0 ( x ) , x V
2 2 例2、对于弦振动方程: u ( x , t ) tt u ( x , t ) 0
方程中存在时间的二次偏微分项，所以初始条件不但要给出t=0时刻的温度分布即可，还要给出t=0时刻的弦振动的运动速度，即：
第二章偏微分方程的定解问题
§2.1、定解条件
§2.2、定解问题的适定性
§2.3、偏微分方程的分类
1、定解条件
由受力分析得到的偏微分方程并不能唯一地确定系统的运动，要完全确定系统的运动还必须给定系统的边界条件和初始条件，一般来说，偏微分方程的通解含有多个待定常数，只有给定合适的边界条件和初始条件，才能唯一地确定这些待定常数。 (1)、在力学分析时，只考虑了介质内部的力学性质，并没有考虑介质通过表面和外界进行的相互作用，因此，微分方程只适合描述内部内部。 (2)、如果问题与时间有关，我们在进行力学分析时并没有考虑介质的历史状况，所以严格来说，系统的解是系统历史状态的函数。

高数常微分方程-微分方程及初等积分法

过定点且在定点的切线的斜率为定值的积分曲线.
9
例 3 验证:函数 x C 1 cos kt C 2 sin kt 是微分
d x 2 方程 2 k 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 kC 1 sin kt kC 2 cos kt , dt 2 d x k 2 C 1 cos kt k 2 C 2 sin kt , dt 2 2 d x 将 2 和 x 的表达式代入原方程 , dt
第一节微分方程的基本概念
一、问题的提出
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2 x ,求这曲线的方程.
解
设所求曲线为 y y ( x )
dy 2x dx
y 2 xdx
其中 x 1时 , y 2
10
2
k 2 ( C 1 cos kt C 2 sin kt ) k 2 ( C 1 cos kt C 2 sin kt ) 0 .
故 x C 1 cos kt C 2 sin kt 是原方程的解 .
x t 0
dx A, 0, dt t 0
C 1 A, C 2 0.
可分离变量的方程
29
当 f ( u ) u 0时 , 得
即 x Ce
(u)
du ln C 1 x , f (u) u
,
（ (u)

du ） f (u) u
y ( ) x
y 将 u 代入 , x
得通解 x Ce
,
当 u0 , 使 f ( u0 ) u0 0, 则 u u0是新方程的解 ,

微分方程概念及数值解介绍

微分方程:
凡含有未知函数的导数（偏导数）或微分的方程叫微分方程. 例
y 2 y 3 y e x , z 2 x y, ( t x )dt xdx 0, x
y xy ,
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.
分类1: 常微分方程, 偏微分方程.
hn 在计算上采用相等的步长 h
n 点 xn x0 nh ， 0,1, 2, ．
，这时等距节
• 初值问题的数值解法的基本特点是：求解过程是顺着节点排列的顺序一步一步的向前推进，即按递推方法由已知的 y0 , y1 ,, yn求出 yn 1。所以，
初值问题的数值解法就是建立这种递推公式。
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. 分类2: 一阶微分方程 F ( x , y, y) 0,
y f ( x , y );
高阶(n)微分方程 F ( x , y , y,, y ( n ) ) 0,
y
( n)
,, y ( n1) ). f ( x, y, y
xn h xn
f (t , y (t ))dt
（看成矩形）
yn 1 yn hf ( xn , yn ) y0 y ( x0 )
• 向后差商
隐式Euler方法
y ( xn 1 ) y ( xn ) / y f ( x, y ) h y ( x0 ) y 0 yn 1 y n hf ( xn 1 , y n 1 ) y ( x0 ) y 0
梯形公式(续)
• 梯形公式(见上页)，实际上是Euler方法和隐式 Euler方法的算术平均。 • 梯形公式的精度为二阶。

微分方程解法的十种求法(非常经典)

微分方程解法的十种求法(非常经典)本文将介绍微分方程的十种经典求解方法。

微分方程是数学中重要的概念，广泛应用于物理学、工程学等领域。

通过研究这十种求解方法，读者将更好地理解和应用微分方程。

1. 变量可分离法变量可分离法是最常见和简单的微分方程求解方法之一。

该方法适用于形如dy/dx=f(x)g(y)的微分方程，其中f(x)和g(y)是关于x和y的函数。

通过将方程两边分离变量，即把f(x)和g(y)分别移到不同的方程一边，然后进行积分，最后得到y的表达式。

2. 齐次方程法齐次方程法适用于形如dy/dx=F(y/x)的微分方程。

通过令v=y/x，将微分方程转化为dv/dx=g(v)，其中g(v)=F(v)/v。

然后再使用变量可分离法求解。

3. 线性微分方程法线性微分方程法适用于形如dy/dx+a(x)y=b(x)的微分方程。

通过乘以一个积分因子，将该方程转化为可以进行积分的形式。

4. 恰当微分方程法恰当微分方程法适用于形如M(x,y)dx+N(x,y)dy=0的微分方程。

通过判断M(x,y)和N(x,y)的偏导数关系，如果满足一定条件，则可以找到一个函数u(x,y)，使得u满足偏导数形式的方程，并且通过积分得到原方程的解。

5. 一阶线性常微分方程法一阶线性常微分方程法适用于形如dy/dx+p(x)y=q(x)的微分方程。

通过先求齐次线性方程的通解，然后再利用待定系数法找到特解，最后求得原方程的通解。

6. 二阶常系数齐次线性微分方程法二阶常系数齐次线性微分方程法适用于形如d²y/dx²+a1dy/dx+a0y=0的微分方程。

通过设y=e^(mx)，将微分方程转化为特征方程，然后求解特征方程得到特征根，利用特征根找到原方程的通解。

7. 二阶非齐次线性微分方程法二阶非齐次线性微分方程法适用于形如d²y/dx²+a1dy/dx+a0y=F(x)的微分方程。

通过先求齐次线性方程的通解，再利用待定系数法找到非齐次线性方程的特解，最后求得原方程的通解。

微分方程及其定解条件、等效积分

2T x2

2T y2

2T z2

g
2T 2T 2T x2 y2 z2 0
第一个微分方程，方程两边微分的最高阶数都是2，如果做移项整理
2u t2
a2
2u x2

f
这个方程的形式和双曲线方程的形式很类似
x2 y2 c a2 b2
这类的方程又称为双曲型微分方程
弦的长度l，线密度为，弦的张力为T
O
u x,t
x
弦振动的微分方程为：
2u t2

a2
2u x2

f
a2 T / f是垂直于平衡位置的外力
这个微分方程虽然描述了弦振动时各点的运动状态，但单纯依靠这个微分方程，我们还不能唯一确定弦的振动，必须给出定解条件，定解条件主要有两种，一种是初始时刻弦的运动状态，称为初始条件：
l,
t

k1u
l,
t

t

这个边界条件的物理意义是，弦的端点固定在两个弹性支撑上，两个弹性支撑的弹性系数为：k0，k1
以上是弦振动的数学模型，是由微分方程与相应的定解条件（初值条件，边值条件）共同组成的，这一样问题又称为混合初边问题。定解条件中只有初值条件的问题称为初值问题。定解条件中只有边值条件的，称为边值问题。
第一种是给定待求函数在边界处的数值，这种边界条件称为第一边界条件、Direchlet边界条件、强制边界条件
第二种是给定待求函数在边界处梯度或方向导数，这种边界条件称为第二边界条件、Neumann边界条件
第三种是给定边界上待求函数及其方向导数的线性组合，这种边界条件称为第三边界条件
我们总结一下这一小节的内容

微分方程的基础知识及解析解

微分方程的基础知识与练习〔一〕微分方程基本概念：首先通过一个具体的问题来给出微分方程的基本概念.〔1〕一条曲线通过点〔1,2〕,且在该曲线上任一点M 〔x ,y 〕处的切线的斜率为2x ,求这条曲线的方程.解设曲线方程为)(x y y =.由导数的几何意义可知函数)(x y y =满足x dxdy2=〔1〕同时还满足以下条件：1=x 时,2=y 〔2〕把〔1〕式两端积分,得⎰=xdx y 2即C x y +=2〔3〕其中C 是任意常数. 把条件〔2〕代入〔3〕式,得1=C ,由此解出C 并代入〔3〕式,得到所求曲线方程：12+=x y 〔4〕〔2〕列车在水平直线路上以20s m /的速度行驶；当制动时列车获得加速度2/4.0s m -.问开始制动后多少时间列车才能停住,以与列车在这段时间里行驶了多少路程？解设列车开始制动后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)(t s s =满足：4.022-=dt sd 〔5〕此外,还满足条件：0=t 时,20,0===dtdsv s 〔6〕<5>式两端积分一次得：14.0C t dtds v +-== 〔7〕再积分一次得2122.0C t C t s ++-= 〔8〕其中21,C C 都是任意常数.把条件"0=t 时20=v "和"0=t 时0=s "分别代入〔７〕式和〔８〕式,得把21,C C 的值代入〔7〕与〔8〕式得,204.0+-=t v 〔9〕 t t s 202.02+-=〔10〕在〔9〕式中令0=v ,得到列车从开始制动到完全停止所需的时间：)(504.020s t ==. 再把5=t 代入〔10〕式,得到列车在制动阶段行驶的路程上述两个例子中的关系式〔1〕和〔5〕,〔6〕都含有未知函数的导数,它们都是微分方程.1．微分方程的概念一般地,凡含有未知函数、未知函数的导数与自变量的方程,叫做微分方程.未知函数是一元函数的方程叫做常微分方程；未知函数是多元函数的方程,叫做偏微分方程.我们只研究常微分方程.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〔1〕是一阶微分方程；方程〔5〕是二阶微分方程方程.又如,方程()x y y y y y 2sin 5'12''10'''44=+-+-是四阶微分方程.一般地,n 阶微分方程的形式是()(,,',...,)0,n F x y y y =〔11〕其中F 是个2+n 变量的函数.这里必须指出,在方程〔11〕中,)(n y 是必须出现的,而)1(,...,',,-n y y y x 等变量则可以不出现.例如n 阶微分方程中,除)(n y 外,其他变量都没有出现.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,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.例如,函数〔3〕和〔4〕都是微分方程〔1〕的解；函数〔8〕和〔10〕都是微分方程〔5〕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〔3〕是方程〔1〕的解,它含有一个任意常数,而方程〔1〕是一阶的,所以函数〔3〕是方程〔1〕的通解.又如,函数〔8〕是方程的解,它含有两个任意常数,而方程〔5〕是二阶的,所以函数〔8〕是方程〔5〕的通解.由于通解中含有任意常数,所以它还不能完全确定地反映某一客观事物的规律性,必须确定这些常数的值.为此,要根据问题的实际情况提出确定这些常数的条件.例如,例1中的条件〔2〕,例2中的条件〔6〕,便是这样的条件.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条件是0x x =时,0y y =,或写成00|y y x x ==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条件是：0x x =时,0y y =,'1y y =或写成00|y y x x ==,0'|1x x y y ==其中0x ,0y 和1y 都是给定的值.上述条件叫做初始条件.确定了通解中的任意常数以后,就得到了微分方程的特解.例如〔4〕式是方程〔1〕满足条件〔2〕的特解；〔10〕式是方程〔5〕满足条件〔6〕的特解.求微分方程),('y x f y =满足初始条件00|y y x x ==的特解这样一个问题,叫做一阶微分方程的初值问题,记作⎩⎨⎧===.|),,('00y y y x f y x x 〔13〕二阶微分方程的初值问题是3、例题例1验证：函数kt C kt C x sin cos 21+=〔14〕是微分方程0222=+x k dtx d 〔15〕的解.解求出所给函数〔14〕的导数把22dtxd 与x 的表达式代入方程〔15〕得 )sin cos (212kt C kt C k +-+)sin cos (212kt C kt C k +0≡函数〔14〕与其导数代入方程〔15〕后成为一个恒等式,因此函数〔14〕是微分方程〔15〕的解. 用程序来实现： >> syms k t C1 C2;>> x=C1*cos<k*t>+C2*sin<k*t>; >> diff<x,t,2>+k^2*x ans =k^2*<C1*cos<k*t> + C2*sin<k*t>> - C1*k^2*cos<k*t> - C2*k^2*sin<k*t> >> simple<ans> 〔二〕微分方程的解一、几个会用到的函数： 1、solve 函数：Matlab 中solve 函数主要是用来求解线性方程组的解析解或者精确解. solve 函数的语法定义主要有以下四种： solve<‘eq ’>solve<‘eq ’, ‘var ’>solve<‘eq1’,’eq2’, …,’ eqn ’>g = solve<‘eq1’, ‘eq2’, …,’ eqn ’, ‘var1’, ‘var2’, …, ‘varn ’> eq 代表字符串形式的方程,var 代表的是变量.例1：解方程02=++c bx ax程序是：syms a b c x;solve<'a*x^2+b*x+c'> 〔也可写成solve<'a*x^2+b*x+c=0'>〕当没有指定变量的时候,matlab 默认求解的是关于x 的解,求解的结果为： ans =-<b + <b^2 - 4*a*c>^<1/2>>/<2*a> -<b - <b^2 - 4*a*c>^<1/2>>/<2*a>d 当指定变量为b 的时候： solve<'a*x^2+b*x+c','b'> 求解的结果为： ans =-<a*x^2 + c>/xs = -<a*x^2 + c>/x例2：对于方程组⎩⎨⎧=-=+5111y x y x 的情况S=solve<'x+y=1','x-11*y=5'>; S.x S.y>> S=[S.x,S.y]<这里或者写成x=S.xy=S.y>如果解得是一个方程组,而且采用了形如[a,b]=solve<a+b=1, 2a -b=4ab> 的格式,那么,在MATLAB R2014a 中没问题,可以保证输出的a,b 就等于相应的解,但是在R2012b 等早先版本中不能保证输出的顺序就是你声明变量时的顺序.所以最好采用g=solve<a+b=1, 2a -b=4ab>这种单输出格式,这样输出的是一个结构体,g.a 和g.b 就是对应的解. S =[ 4/3, -1/3]一、微分方程的解析解格式：dsolve<‘方程1’, ‘方程2’,…‘方程n’, ‘初始条件’, ‘自变量’>记号: 在表达微分方程时,用字母D 表示求微分,D2y 、D3y 等表示求高阶微分. 任何D 后所跟的字母为因变量,自变量可以指定或由系统规则选定为确省,默认自变量是t 例如,微分方程022=dx y d 应表达为：D2y=0.例1：求解微分方程22x xe xy dxdy-=+,并加以验证．求解本问题的Matlab 程序为：syms x y %line1y=dsolve<'Dy+2*x*y=x*exp<-x^2>','x'> %line2 diff<y,x>+2*x*y -x*exp<-x^2> %line3simplify<diff<y,x>+2*x*y -x*exp<-x^2>> %line4 说明：<1> 行line1是用命令定义x,y 为符号变量．这里可以不写,但为确保正确性,建议写上；<2> 行line2是用命令求出的微分方程的解：1/2*exp<-x^2>*x^2+exp<-x^2>*C1<3> 行line3使用所求得的解．这里是将解代入原微分方程,结果应该为0,但这里给出：-x^3*exp<-x^2>-2*x*exp<-x^2>*C1+2*x*<1/2*exp<-x^2>*x^2+exp<-x^2>*C1><4> 行line4 用 simplify<> 〔simple<>〕函数对上式进行化简,结果为 0,表明)(x y y =的确是微分方程的解．例2：先求微分方程0'=-+x e y xy 的通解,再求在初始条件e y 2)1(=下的特解,并画出特解函数的图形．求解本问题的 Matlab 程序为： syms x yy=dsolve<'x*Dy+y -exp<x>=0', 'x'> 结果y =<exp<x>+C1>/x 求特解两个方法1.y=dsolve<'x*Dy+y -exp<x>=0','y<1>=2*exp<1>', 'x'>结果y =<exp<x>+exp<1>>/x2.C1= solve<'2*exp<1>=exp<1>+C1','C1'> 结果C1 =exp<1>y =<exp<x>+exp<-x^2> 结果<exp<x>+exp<1>>/x ezplot<y>例3：求微分方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=--=++035y x dtdy e y x dtdx t在初始条件0|,1|00====t t y x 下的特解,并画出解函数的图形．求解本问题的 Matlab 程序为： syms x y ta=dsolve<'Dx+5*x+y=exp<t>','Dy -x -3*y=0','x<0>=1','y<0>=0','t'>;x=a.x y=a.y simple<x>; simple<y>;ezplot<x,y,[0,1.3]>;axis auto %坐标刻度选默认值例4先求微分方程的通解,再求微分方程的特解.程序是：dsolve<'D2y+4*Dy+29*y=0','y<0>=0,Dy<0>=15','x'> ans =<3*sin<5*x>>/exp<2*x> 例5求微分方程组的通解. 程序是：A=dsolve<'Dx=2*x -3*y+3*z,Dy=4*x -5*y+3*z,Dz=4*x -4*y+2*z','t'>; >> x=A.x y=A.y z=A.z。

常微分方程的常见解法

在这些节点上采用离散化方法，（通常用数值积分、微分、泰勒展开等）将上述初值问题化成关于离散变量的相应问题。把这个相应问题的解yn作为y(xn)的近似值。这样求得的yn就是上述初值问题在节点xn上的数值解。
Euler折线法
近似导数
y(x0)
y(x1) h
y( x0 )
记为
y( x1 ) y( x0 ) hy( x0 ) y0 h f ( x0 , y0 )
解:设t时刻雪球的体积为
，表面积为，
由题得
球体与表面积的关系为
引入新常数
再利用题中的条件得
分离变量积分得方程得通解为
再利用条件确定出常数C和r代入关系式得 t的取值在之间。
方程为全微分方程的充要条件
定理2.1 设函数
和
在一个矩形区域
中连续且有连续的一阶偏导数，则
是全微分方程的充要条件为:
（2.3.3)
nan (x x0 )n1
f
x,
an
(
x
x0
)n
n1
n0
展开后比较两端同次幂的系数确定
an ,
y
y0
N n1
cn1 (x n
x0 )n
例：用待定系数法求
dy x2 y2 ,
的近似解。
dx
y(0) 1
解：令 y a n (x x0 )n, 由 y (0) 1 得 a0 1 n0
([diff(y(x),x)=-y(x)],y(x),
# 定义微分方程
x=-2..2,
# 指定x范围
[[y(-2)=2],[y(-2)=1],[y(-2)=-2]], # 给出3个初始值
dirgrid=[17,17],