《第九章常微分方程1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第九章常微分方程1（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第九章常微分方程（1、2）陈建英主编第一节 微分方程的基本概念（1、2）教学目的：理解微分方程、方程的阶，方程的解、通解、初始条件和特解概念。教学重点、难点：微分方程的概念。方程的通解与特解异同。教学形式：多媒体教室里的讲授法教学时间：90分钟教学过程一、引入新课初等数学中就有各种各样的方程：线性方程、二次方程、高次方程、指数方程、对数方 程、三角方程和方程组等等。这些方程都是要把研究的问题中的已知数和未知数之间的关系 找出来，列出包含一个未知数或几个未知数的一个或者多个方程式，然后求取方程的解。方程的定义：含有未知数的的等式。它表达了未知量所必须满足的某种条件。根据对未知量所施行的数学运算的
2、不同，我们可以将方程分成许多不同的类型来研究。4xx2 -1ax2 bx c = 0（元二次方程）（分式方程）2x 1 、3x - 8 = . 7x 3（无理方程）对未知量x施行的是代数运算。因此它们是代数方程。而方程2sin3 x - cos x 3sin x-2 = 0 （三角方程）x 4x-2x-722 x =14（指数方程）#lg（x21）2lg（x 3） In2 = 0 （对数方程）对未知量x所施行的是超越函数运算。因此是超越方程。二、新授课1。微分方程的定义：如果未知函数是多含有未知函数、未知函数的导数与自变量之间关系的方程，称为微方程 如果未知函数是一元函数，则其满足的微分方程称
3、为常微分方程式;元函数，其导数就是偏导数，则其所满足的微分方程式称为偏微分方程。2例如，dx =x y和=x是常微分方程；dydx=xy是偏微分方程:x微分方程中未知函数的最高阶导数的阶数，称为微分方程式的阶。一阶微分方程的一般形式为F （x, y, y） = 0#例如：(y)2 x3y5-x4 =0 , x(dy)2-2ydy x = 0都是一阶微分方程。dxdx二阶微分方程的一般形式为F ( x, y, y , y =)0例如： 孕 一：丫理sinx=0，(y )k2(2 y 2)3都是二阶微分方程。 dx dx类似可写出n阶微分方程的一般形式F(x,y,y ,y；川y(n) =0。其中F
4、是n+2个变量的函数。这里必须指出，在方程 F(x, y, y, y ；| y(n) =0中，y(n)必须出现，而x, y, y ,y ly(n等变量可以不出现。例如y(n) = f (x)也是n阶微分方程。例1课堂练习：P1982).指出下列方程中哪些是微分方程，并说明它们的阶数:1dy _ y2dx 二 0;(1)2xdy y sin xdx 二 0;y” y = 3x;2 y = 2y x;/八 d2y i c2t(4)2 3y 二 e ;dty dy 2 dx;x + yxy”-(y)2 =0.2。微分方程的解能够满足微分方程的函数都称为微分方程的解 求微分方程的解的过程，称为解微分方
5、程1d 2 v例如，函数6x3是微分方程7二X的解。如果微分方程的解中含有相互独立的任意常数, 同，这样的解称为微分方程的通解。 达式。且任意常数的个数与微分方程的阶数相通解即为在一定范围内就是方程的所有解的一个共同表例如 y=1 X3 - C1x C2是微分方程 4 = x的通解。6dx在通解中，利用附加条件确定任意常数的取值，所得的解称为该微分方程的特解，这种附加条件称为初始条件，例如微分方程今 =x，初始条件y(0) = 1,y(0) = 2，则满足初dx13始条件的特解为y= x 2x 1 o6带有初始条件的微分方程称为微方程的初值问题。微分方程的通解不一定包含所有的解，不在通解中的解
6、称为奇解。#由于微分方程的解是通过积分而获得的，所以我们也把微分方程的解称为微分方程的积分曲线，把通解称为微分方程的积分曲线族。微分方程的解根据函数的形式可分为显式解和隐式解。例 2 P1943)验证下列函数(其中C为任意常数)是否是相应的微分方程的解，是通解还是特解：2 2(1) xy =2y,y =Cx ,y =x ;(2) y二-y, y =sin x, y =3sin x -4cos x;(3) 或=2y, y =ex, y =Ce2x. dx如果微分方程中关于未知函数及其导数X(t),x (t),x(t),., x(n)(t)是一次有理整式，则称方程是线性的，称它是n阶线性微分方程，
7、一般形式为：x(n) (t) y(t)x(n)(t)3n_1(t)x(t) an(t)x(t)二 f(t)如果f(t) =0,则称为n阶线性齐次方程；否则称为线性非齐次方程，这时称 f(t)为 线性方程的非齐次项。如果微分方程不是线性的微分方程，则称为非线性方程。三、小结微分方程定义及概念：微分方程的阶，通解，特解，四、练习课堂完成P194选择题1#第九章常微分方程（3、4）第二节如何建立微分方程（1）（视情况加成两节课）第三节 微分方程的求解（2）（视情况加成两节课）教学目的：学会建立微分方程和掌握可分离变量微分方程的解法。教学重点、难点：建立微分方程，可分离变量方程的解法， 会用常微分方程
8、解决一些简单的实际问题。教学形式：多媒体教室里的讲授法教学时间：90分钟教学过程一、引入新课课堂提问：微分方程的定义，微分方程的阶、通解和特解的概念二、新授课1。微分方程的建立建立微分方程的基本思想是，把研究的问题中已知函数和未知函数之间的关系找出来，从列出的包含未知函数的一个或几个方程中去求得未知函数的表达式建立微分方程属于构建数学模型的范畴，建立起实际问题的数学模型一般比较困难，因为这需要对与问题有关的自然规律有一个清晰的了解，同时也需用要有一定的数学知识微分方程往往可以看作是各种不同物理现象的数学模型我们在建立微分方程的时候，只能考虑影响这个物理现象的一些主要因素，而把其他的一些次要因素
9、忽略掉，如果说的确考虑到了那 些最主要的因素，那么我们所得到的微分方程，它的解与所考虑的物理现象比较接近的例1设曲线过点（1, 2），且在该曲线上任意点 M（ x，y ）处的切线斜率为 2x，求此 曲线方程。解：设所求曲线为 y二f（X），由导数的几何意义，y二f（x）满足关系式dy2x 或 dy 二 2xdxdx又因曲线经过（1，2），即所求曲线应满足 y x#=2，对此关系式的两边积分得：y二2xdx=x2 V （其中C是任意常数）2 =12 C，C =1则所求的曲线方程为y=x2,1例2放射性元素轴由于不断有原子放射出微粒子变成其他元素，铀的含量就不断减少，这种现象叫做衰变。由原子物理学
10、知道，铀的衰变束率与当时未衰落变的原子的含量M成正比。已知t = 0时铀的含量为 M0，求在衰变过程中铀的含量 M（t）随时间t变化的规律。#解：铀的衰变速率就是铀的含量M(t)对于时间的变化率，即 巴。由于铀的衰变速率dt与其含量成正比，设比例常数为C . 0)，故有Mdt其中，等式右边的负号是由于在衰变过程中M(t)是单调减少的，从而有0的缘故。dt根据题意，初值条件为 M|=0二M0。例3连续价格调整模型假设需求函数QDa-bp，供给函数 Q二C dp，其中a, b,c, d般地，如果需求大于供给，则价格上升；如果需求小于供给，则价格下降，于是，价格调整模型为dp /、 ca(QD -Q
11、s), a 0 dt些 a(b d) p 二 a(a _ c), a 0 dt例4研究悬挂重物的弹簧的振动。假设弹簧的质量与重物的质量相比是很小，以至 于可以略去不计，试建立其微分方程。解：当质量为 m的重物静止不动时，它所受到的两个力，即重力mg和弹簧的恢复力，互相平衡。如果把它向下拉(或向上推)一小段距离x，然后放手。根据常识，知道重物将作上下振荡动若干次，振幅愈来愈小，最后仍归于静止。今取x轴的正方向铅直向下，取重物静止不动时其重心的位置为x=0。在振动过程中，重物受到三个力的作用：(1)重力mg方向向下；(2)弹簧的恢复力 mg+cx，其中c0是弹簧的刚度，即把它拉长一个单 位长度所需
12、用的力。这个力的方向要看mg+cx0还是mg+cx0而定。在前一情况，弹簧的长度比没有悬挂重物时要长，因此恢复力方向向上；在后一情况则相反，恢复力向下；(3)空气阻力。根据实验知道空气阻力的大小与重物运动的速度成正比，而方向与运动方向相反。这样，应用牛顿第二定律，得m与二mg-(mg cx)-a 鱼dt2dtd2xdxm = ex -a - dtdt其中a 0称为阻尼系数2。可分离变量的微分方程(1)可分离变量的微分方程：形如dy - f (x)g(y)称为可分离变量的微分方程，其dx特点是方程的左端可分离为只含x的函数f(x)与只含y的函数g(y)的乘积。(2)可分离变量的微分方程的求解步骤
13、:第一步分离变量为g(y)dy 二f(x)dx#第二步将上式两端积分得：g(y)dy二f(x)dx设G(y).F(x) 分别为g(y)、f(x)的原函数，则得微分方程 生二f(x).g(y)的通解为 dxG(y) = F(x) C例1求解微分方程dydx例2求微分方程加和的通解例3求微分方程(1+x2)dy xydx = O的通解例4 求方程=y2sinx满足初始条件y| x=0 =-1的特解dx在求解微分方程时， 一般都会遇到求解不定积分，而有些不定积分虽然是存在的，却不能用初等函数表达所求的结果，通常称为“积不出”，因此，并非所有的微分方程都能求出精确解，我们只能求解一些特殊的微分方程，如可分离变量的微分方程等等，微分方程的应用广泛，数学家提出了许多求微分方程数值(近似解)的方法，在实际应用中发挥了很大作 用。三、小结建立微分方程；解可分离变量的微分方程。四、练习1。3 求下列微分方程满足所给初始条件的特解：(2)、r7yx,y|x”0；x2 + y2(4) y,y|x 厂 1.xy2。课外作业P209 习题 9-33 求下列微分方程满足所给初始条件的特解：(1) ysin x = y In y, y | = e;X=2 y二严，y0;6设一曲线过原点，且在点(x,y)处的切线斜率等于 2x y，求此曲线方程。第九章常微分方程（5、6、7
