微分方程课件【深度讲解】

《微分方程课件【深度讲解】》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微分方程课件【深度讲解】（165页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、机动 目录 上页 下页 返回 结束 常微分方程课件常微分方程课件主讲：罗兆富统计与数学学院统计与数学学院1详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 常微分方程课程简介常微分方程课程简介常微分方程是研究自然科学和社会科学中的事物、常微分方程是研究自然科学和社会科学中的事物、物体和现象运动、演化和变化规律的最为基本的数物体和现象运动、演化和变化规律的最为基本的数学理论和方法。物理、化学、生物、工程、航空航学理论和方法。物理、化学、生物、工程、航空航天、医学、经济和金融领域中的许多原理和规律都天、医学、经济和金融领域中的许多原理和规律都可以描述成适当的常微分方程，如牛顿运动定律、可以描述成适当的常

2、微分方程，如牛顿运动定律、万有引力定律、机械能守恒定律，能量守恒定律、万有引力定律、机械能守恒定律，能量守恒定律、人口发展规律、生态种群竞争、疾病传染、遗人口发展规律、生态种群竞争、疾病传染、遗2详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 传基因变异、股票的涨伏趋势、利率的传基因变异、股票的涨伏趋势、利率的浮动、市场均衡价格的变化等，对这些浮动、市场均衡价格的变化等，对这些规律的描述、认识和分析就归结为对相规律的描述、认识和分析就归结为对相应的常微分方程描述的数学模型的研究应的常微分方程描述的数学模型的研究.因此，常微分方程的理论和方法不仅广泛因此，常微分方程的理论和方法不仅广泛应用于自然科学

3、，而且越来越多的应用于社会应用于自然科学，而且越来越多的应用于社会科学的各个领域。科学的各个领域。3详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 教材及参考资料教材及参考资料教教材：材：常微分方程,东北师大数学系编，高教出版社。参考书目：参考书目：1.常微分方程，(第二版），王高雄等编（中山大学),高教出版社。2.常微分方程讲义，王柔怀、伍卓群编，高教出版社。3.常微分方程教程，丁同仁（北京大学),，高教出版社。4.常微分方程及其应用，周义仓等编，科学出版社。5.常微分方程稳定性理论，许松庆编上海科技出版社。6.常微分方程定性理论，张芷芬等编，科学出版社。4详细课资机动 目录 上页 下页 返回

4、结束 第一章初等积方法第五章定性与稳定性理论简介第三章一阶线性微分方程组第二章基本定理第四章n阶线性微分方程第六章一阶偏微分方程初步目目录录5详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 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.第一章第一章初等积分法初等积分法1.1微分方程和解第一讲第一讲6详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 一般地，运动规律很难全靠实验

5、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.7详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 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.8详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例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.解解:如图建立坐标系，

6、设x=x(t)为t时刻物体的位置坐标.于是物体下落的速度为9详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 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(力力=质量质量加速度加速度)可以列出方程(1.1)10详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 其中k0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(1.1)(1.2)将上式

7、对t积分两次得(1.3)11详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 一般说来，微分方程微分方程就是联系自变量自变量、未知函数未知函数以及未知函数的某些导数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是一个一个自变量的函数，则称为常微分方程常微分方程；如果未知函数是两个两个或两个以上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.12详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (1.4)(1.5)(1.6)(1.7)例如下面的方程都是常微分方程13详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (1.8)称为

8、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.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 解出，则得到方程(1.9)(1.10)或14详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 n阶隐式方程阶隐式方程的一般形式为（1.11）n阶显式方程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，则称为线性常微线性常微分方程分方程，否则称它为非线性常微分方程非线性常微分方程.这样，一个以y为未知函

9、数，以x为自变量的n阶线性微分方程具有如下形式：（1.13）15详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 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.(1.4)(1.5)(1.6)(1.7)16详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 通解与特解通解与特解微分方程的解就是满足方程的函数微分方程的解就是满足方程的函数，可定义如下.定义定义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.（1.11）这样，从定义

10、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.(1.4)2.函数y=sin(arcsinx+C)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.(1.5)17详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 3.函数x=C1cost+C2sint是方程(1.6)在区间(-，+)上的解，其中C1,C2是独立的任意常数.(1.6)4.函数y2=C1x+C2是方程(1.7)在区间(-，+)上的解，其中C1, C2和是独立的任意常数.(1.7)这里，我们仅验证3，其余留

11、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.Q.E.D.18详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 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，称为该方程的通解通解，如果方程(1.11)的解不包含任意常数，则称它为特解特解.由隐式表出的通解称为通积分通积分，而由隐式表出的特解称为特积分特积分.（1.11）19详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 由上面的定义，不难看出，函数

12、y = x2+C、 y=sin(arcsinx+C)和x=C1cost+C2sint分别是方程(1.4)，(1.5)和(1.6)的通解，函数y2=C1x+C2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初始值条件，或简称初值初值条件条件.(1.4)(1.5)(1.6)(1.7)20详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例1中的函数(1.3)显然是方程(1.2)的通解，由于C1和C2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.初值问题初值问题(1.2)(

13、1.3)21详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 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.推得因此，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，即于是，得到满足上述初值条件的特解为初始位置x(0)= H，初始速度代入到通解中，(1.14)22详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 它描

14、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初值问题问题.于是我们称(1.14)是初值问题的解。23详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 其中x0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)的初值问题常记为对于一个n 阶方程，初值条件的一般提法是(1.15)(1.16)初值问题也常称为柯西柯西（Cauchy）问题问题.24详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 对于一阶方程，若已求出通，只要把初值条件代入通解中，得到方程从中解出C，设为C0，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

15、值条件(1.15)，得到n个方程式(1.17)25详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 如果能从(1.17)式中确定出，代回通解，即得所求初值问题的解例例2求方程的满足初值条件的解.解解:方程通解为,求导数后得将初值条件代入，得到方程组( (教材上印刷错误教材上印刷错误) )特解26详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 积分曲线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，称为积分曲线族积分曲线族.例如，方程(1.4)的通解y=x2+C是xoy

16、平面上的一族抛物曲线.而y=x2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3章详细讨论.(1.4)(1.9)27详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 初等积分法初等积分法通过积分求解常微分方程的一种方法，其特点是方程的解可用初等函数以及初等函数的积分形式表示。28详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.代入微分方程能使方程成为恒等式的代入微分方程能使方程成为恒等式的函数称为函数称为微分方程的解微分方程的解. 2.微分方程的

17、解的分类：微分方程的解的分类：(1)通解通解:微分方程的解中含有任意常数微分方程的解中含有任意常数,且任意常且任意常数的个数与微分方程的阶数相同数的个数与微分方程的阶数相同.总结总结(2)特解特解: : 确定了通解中任意常数以后的解确定了通解中任意常数以后的解. .29详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解的图象解的图象: : 微分方程的积分曲线.通解的图象通解的图象: : 积分曲线族.初始条件初始条件: : 用来确定任意常数的条件.初值问题初值问题: : 求微分方程满足初始条件的解的问题.一阶一阶:过定点的积分曲线过定点的积分曲线;二阶二阶:过定点且在定点的切线的斜率为定值的积分曲线

18、过定点且在定点的切线的斜率为定值的积分曲线.30详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例3.一曲线通过点(1,2),在该曲线上任意点处的解解:设所求曲线方程为y= y(x),则有如下关系式:(C为任意常数)由得C=1,因此所求曲线方程为由得切线斜率为2x,求该曲线的方程.机动 目录 上页 下页 返回 结束 31详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 32详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.2变量分离方程变量分离方程先看例子：先看例子：第二讲第二讲33详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 定义1形如的方程,称为变量分离方程变量分离方程. .或34详细课资机动 目录

19、上页 下页 返回 结束 解法解法这样变量就“分离”开了.35详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例1 1求解微分方程求解微分方程解解当当y0时，时，分离变量分离变量两端积分两端积分让让c可取负值，则可取负值，则36详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 Q.E.F.例2求微分方程的所有解.解:积分得:37详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 故方程的所有解为:Q.E.F.38详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例3解:两边积分得:因而通解为:再求初值问题的通解,所以所求的特解为:Q.E.F.39详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.2.1显式变量可分离方程

20、的解法显式变量可分离方程的解法1.在方程(1.18)中，假设g(y)是常数，不妨设g(y)=1.此时方程(1.18)变为设f(x)在区间(a, b)上连续，那么，求方程(1.20)的解就成为求f(x)的原函数(不定积分)的问题.于是由积分上限所确定的函数或变量可分离方程的解法之理论变量可分离方程的解法之理论40详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 就是方程(1.20)的通解，其中C是一个任意常数，x0(a,b)是一个固定数，x(a,b)是自变量.2.假设g(y)不是常数，仍设f(x)在区间(a,b)上连续，而g(y)在区间上连续.若y=y(x)是方程(1.18)的任意一个解，且满足y(x

21、0)=y0，则由解的定义，有恒等式假设g(y)0，于是可用分离变量法分离变量法把方程写成41详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 将上式两端积分，得到恒等式上面的恒等式表明，当g(y)0时，方程(1.18)的任意一个解y=y(x)必定满足下面的隐函数方程隐函数方程反之，若y=y(x)是隐函数方程(1.25)的解，则有恒等式(1.24)成立，由(1.24)的两边对x求导数，就推出(1.23)成立，从而(1.22)成立，这就表明了隐函数方程(1.25)的解。在具体求解方程时，往往把(1.24)写成不定积分形式.42详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 由上面的证明可知，当g(y)0时，

22、微分方程(1.18)与隐函数方程(1.26)是同解方程，即若由(1.26)解出，则它是(1.18)的通解，由于(1.26)是通解的隐式表达式，所以(1.26)亦称为方程(1.18)的通积分通积分。在求解过程中，对于通积分(1.26)应该尽量把它演算到底，即用初等函数表达出来，但是，并不勉强从其中求出解的显式表达式.如果积分不能用初等函数表达出来，此时我们也认为微分方程(1.18)已经解出来了，因为从微分方程求解的意义上讲，留下的是一个积分问题，而不是一个方程问题了。.43详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 3.若存在y0，使g(y0)=0，则易见,，是方程(1.18)的一个解，这样的解

23、称为常数解常数解.y(x)=y01.2.2微分形式变量可分离方程的解法微分形式变量可分离方程的解法方程是变量可分离方程的微分形式表达式.这时，x和y在方程中的地位是“平等”的，即x与y都可以被认为是自变量或函数.。在求常数解时，若N1(y0)=0，则y=y0为方程(1.19)的解.同样，若M2(x0)=0，则x=x0也是方程(1.19)的解.44详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 当时，用它除方程(1.19)两端，分离变量，得上式两端同时积分，得到方程(1.19)的通积分45详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例4.解初值问题解解:分离变量得两边积分得即由初始条件得C=1,(

24、C为任意常数)故所求特解为Q.E.F.46详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 47详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.3齐次方程齐次方程第三讲第三讲48详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 可化为变量分离方程类型可化为变量分离方程类型（I）齐次方程（II）形如49详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (1.9)1.3.1齐次型方程的解法齐次型方程的解法如果一阶显式方程(1.9)的右端函数f(x,y)可以改写为的函数，那么称方程(1.9)为一阶齐次一阶齐次微分方程微分方程。下列方程哪些是齐次方程？(1)是齐次方程是齐次方程 一阶齐次微分方程可以写为(1.27)50

25、详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (2)不是齐次方程不是齐次方程(3)是齐次方程是齐次方程(4)不是齐次方程不是齐次方程51详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 方程(1.27)的特点是它的右端是一个以为变元的函数，经过如下的变量变换，它能化为变量可经过如下的变量变换，它能化为变量可分离方程分离方程.(1.27)作变量代换作变量代换代入代入(1.27)式，得式，得可分离变量的方程可分离变量的方程(1.28)52详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 方程(1.28)是一个变量可分离方程，当g(u)u0时,分离变量并积分，得到它的通积分(1.28)(1.29)或即其中53详细

26、课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 以代入，得到原方程(1.27)的通积分(1.27)下面看几个例子。54详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例1.解微分方程解解:代入原方程得分离变量两边积分得故原方程的通解为(当C=0时, y=0也是方程的解)(C为任意常数)此处Q.E.F.55详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例2.解微分方程解解:则有当u2-u0时，分离变量积分得代回原变量得通解即(C为任意常数)56详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 当u2-u=0，即以代入，得到原方程的解Q.E.F.57详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例 3 3求解微分

27、方程求解微分方程解解58详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 微分方程的解为微分方程的解为Q.E.F.59详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (1.9)下面我们说明零次齐次函数具有此性质.现在我们的问题是：在一般情况下，如何判断方程(1.9)是齐次方程呢?这相当于考虑，什么样的二元函数f(x,y)能化成形状为的函数.所谓 f(x,y)对于变元x和y是零次齐次式，是指对于任意0的常数，有恒等式因此，令，则有60详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 因此，所谓齐次方程，实际上就是方程(1.9)的右端函数f(x,y)是一个关于变元x，y的零次齐次式.例例是齐次方程是齐次方程Q.E

28、.F.61详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.3.2第二类可化为变量可分离的方程第二类可化为变量可分离的方程形如(1.30)的方程是第二类可化为变量可分离的方程，其中显然，方程(1.30)的右端函数，对于x，y并不是零次齐次函数，然而函数(1.31)则为零次齐次函数.事实上，我们有62详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解解令令则则代入化简代入化简 并分离变量并分离变量两边积分两边积分换回原变量换回原变量或或例例4.解方程解方程Q.E.F.63详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 下面我们将通过变量变换把(1.30)中的C1及C2消去，将方程(1.30)的右端函数化成

29、(1.31)的形式，从而把方程(1.30)化成齐次方程.分两种情况讨论在这个情形，行列式的所有元素等于零，这时方程(1.30)成为(1.32)64详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 两边积分得到方程的解a2=b2=0，c20，这时方程(1.30)成为代入上式，得令则于是这是一个可分离变量的方程这是一个可分离变量的方程。65详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 a2,b2中恰有一个为零，若a20,b2=0,由(1.32)知，这时必有b1=0，这时方程(1.30)成为(1.32)(1.30)若a2=0,b20,由(1.32)知，这时必有a1=0，这时方程(1.30)成为这是一个可分离

30、变量的方程。这是一个可分离变量的方程。a2,b2都不为零，由(1.32)知，有66详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (1.30)即代入(1.30)，得代入上式，得令则于是这也是一个可分离变量的方程这也是一个可分离变量的方程。67详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (,为待定常数),作变换原方程化为令,解出,(齐次方程齐次方程)下面我们将通过变量变换把(1.30)中的C1及C2消去，将方程(1.30)的右端函数化成(1.31)的形式，从而把方程(1.30)化成齐次方程.68详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 求出其解后,即得原方程(1.30)的解.注：注：上面的作法其实

31、就是解析几何中的坐标平移.当时，直线与直线相交于一点，将二式联立求得交点(,)，再作坐标平移，就把原点移到(,).又由于在坐标平移变换下有成立，这样(1.30)就变成齐次方程了.69详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例5.求解解解:令得令积分得代回原变量,得原方程的通解:再令 ,得70详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 得C =1, 故所求特解为思考思考:若方程改为如何求解?提示提示:Q.E.F.71详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 注注:上述解题方法和步骤适用于更一般的方程类型.此外,诸如72详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 以及例例6求微分方程的通解

32、.【分析分析】73详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解解:代入方程并整理得即分离变量后得两边积分得变量还原得通解为Q.E.F.74详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 75详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.4一阶线性微分方程一阶线性微分方程一阶线性微分方程(1.34)(1.35)第四讲第四讲76详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.4.1一阶线性非齐次方程的通解一阶线性非齐次方程的通解1.解齐次方程分离变量两边积分得故通解为(1.36)下面使用常数变易法常数变易法再求线性非齐次方程(1.34)的解.其想法是：当C 为常数时，函数(1.36)的导数，恰等于

33、该函数乘上-p(x),从而(1.36)为齐次方程(1.35)的解.现在要求非齐次方程(1.34)的解，则需要该函数的导数还要有一项等于Q(x).为此，联系到乘积导数的公式，可将(1.36)中的常数 C 变易为函数u(x).77详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 对应齐次方程通解齐次方程通解非齐次方程特解2.解非齐次方程则故原方程的通解即即作变换两端积分得机动 目录 上页 下页 返回 结束 78详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例1.解方程解解:先解即积分得即用常数变易法常数变易法求特解.令则代入非齐次方程得解得故原方程通解为机动 目录 上页 下页 返回 结束 Q.E.F.7

34、9详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例2求初值问题的解.解:80详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 所以原方程的通解故所给初值问题的通解为Q.E.F.81详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例3求方程通解.解:但将它改写为故其通解为故其通解为Q.E.F.82详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.4.2伯努利伯努利(Bernoulli)方程方程伯努利方程的标准形式:令求出此方程通解后,除方程两边,得换回原变量即得伯努利方程的通解.解法解法:(线性方程)伯努利 目录 上页 下页 返回 结束 83详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例4求方程的通解.解解

35、:解以上线性方程得Q.E.F.84详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例5.求方程的通解.解解:令则方程变形为其通解为将代入,得原方程通解:机动 目录 上页 下页 返回 结束 Q.E.F.85详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 86详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.5全微分方程及积分因子全微分方程及积分因子第五讲第五讲87详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.5.1全微分方程全微分方程如果我们恰好碰见了方程就可以马上写出它的隐式解88详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 则称(1.10)是全微分方程全微分方程或恰当方程，而函数称为微分式(1.46

36、)的原函数.例如：例如：都是全微分方程.1.全微分方程的定义全微分方程的定义定义定义.如果微分形式的一阶方程的左端恰好是一个二元函数U(x,y)的全微分，即这是因为这是因为89详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 定理定理1.1假如U(x,y)是微分(1.46)的一个原函数，(1.49)其中c为任意常数。证明证明：先证(1.10)的任一解y=y(x)均满足方程(1.49).因为y=y(x)为(1.10)的解，故有恒等式因为U(x,y)为(1.10)的原函数，所以有，从而于是y=y(x)满足(1.49).则全微分方程(1.10)的通积分为再证明(1.49)所确定的任意隐函数y=y(x)均为

37、(1.10)的解。90详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 因为是由(1.49)所确定的隐函数,所以存在常数c,使(1.49)将上式微分并应用U(x,y)是(1.46)的原函数的性质，即有从而y(x)是方程(1.10)的解。Q.E.D.根据上述定理，为了求解全微分方程(1.10)，只须求出它的一个原函数，就可以得到它的通积分。下面我们需考虑的问题是：(2)若(1.10)是全微分方程,怎样求解?(3)若(1.10)不是全微分方程,有无可能转化为全微分方程求解?(1)方程(1.10)是否为全微分方程?91详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 2.方程为全微分方程的充要条件方程为全微分方

38、程的充要条件定理定理1.2为全微分方程的充要条件充要条件是证明证明: 必要性必要性设(1.10)是全微分方程，则存在原函数U(x,y)，使得92详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 所以将以上二式分别对y和x求偏导数，得到因为M ，N连续可微，所以成立，即(1.50)成立.充分性充分性设(1.50)在区域R内成立，现在求一个二元函数U(x,y)，使它满足93详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 即由第一个等式，应有其中为y 的任意可微函数，为使U(x,y)再满足第二个等式必须适当选取 ，使满足由参变量积分的性质和条件(1.50)，上式即为94详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结

39、束 必须适当选取 ，使满足由参变量积分的性质和条件(1.50)，上式即为都在定理定理.(可微性可微性)95详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 因为只要一个就够了，故取c1=0.(1.51)就是所求的原函数，从而全微分方程(1.10)的通积分是于是，函数96详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (1.52)Q.E.D.定理1.2不但给出了判断方程(1.10)为全微分方程的充要条件,而且给出了当判别式(1.50)成立时，(1.51)式就是(1.10)左端的原函数，而(1.52)就是(1.10)的通积分.3.求原函数的方法求原函数的方法(1)不定积分法不定积分法97详细课资机动 目录

40、上页 下页 返回 结束 例例1.验证方程是恰当方程,并求它的通解.解解:故所给方程是全微分方程.98详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 积分后得:故从而方程的通解为Q.E.F.99详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (2)分组凑微法分组凑微法(直接观察法直接观察法)采用“分项组合”的方法,把本身已构成全微分的项分出来,再把余的项凑成全微分.-应熟记一些简单二元函数的全微分如100详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例2.求方程的通解.解解:故所给方程是恰当方程. 把方程重新“分项组合”得即或写成故通解为:Q.E.F.101详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例

41、例3.验证方程是恰当方程,并求它满足初始条件y(0)=2的解.解:故所给方程是恰当方程.把方程重新“分项组合”得即102详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 或写成故通解为:故所求的初值问题的解为:Q.E.F.103详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (3)线积分法线积分法定理1.2充分性的证明也可用如下方法:由数学分析曲线积分与路径无关的定理知:104详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 从而(1.10)的通解为105详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例4.求解方程解解:故所给方程是恰当方程.106详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 故通解为:Q.E.

42、F.107详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.5.2积分因子积分因子对于全微分方程，我们给出了三种方法求解。但是，方程(1.10)未必都是全微分方程，例如，下面这个简单方程(1.54)就不是全微分方程，因为如果，将上面这个方程两端同乘以，得到方程(1.55)这是一个全微分方程，因为此时有第六讲第六讲108详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 通常我们称为方程(1.54)的积分因子，因为它可使方程(1.54)变成全微分方程(1.55).一般地，我们有下面的定义.假如存在这样的连续可微函数，使方程(1.56)成为全微分方程,我们就把称为方程(1.10)的一个积分因子积分因子.例5

43、109详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解解:对方程有由于110详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 把以上方程重新“分项组合”得即也即故所给方程的通解为:Q.E.F.111详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 积分因子的确定积分因子的确定易于看到，当时，方程(1.10)与(1.56)是同解的.于是，为了求解(1.10)，只须求解(1.56)就可以了，但是如何求得积分因子呢?下面就来研究求积分因子的方法.方程(1.56)是全微分方程的充要条件为(1.57)112详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 令人十分遗憾的是，一般而言,偏微分方程(1.57)是不易求解的。(1

44、.57)下面我们给出两种特殊的积分因子的求法.尽管如此,方程(1.57)还是提供了寻找特殊形式积分因子的途径.113详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (1.59)此时求得积分因子114详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 事实上事实上115详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 定理定理.微分方程116详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 117详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例6.求微分方程的通解.解解:由于故它不是全微分方程,又由于118详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 利用恰当方程求解法得通解为Q.E.F.119详细课资机动 目录 上页

45、下页 返回 结束 积分因子是求解积分方程的一个极为重要的方法,绝大多数方程求解都可以通过寻找到一个合适的积分因子来解决,但求微分方程的积分因子十分困难,需要灵活运用各种微分法的技巧和经验.下面通过例子说明一些简单积分因子的求法.利用恰当方程求解法得通解为Q.E.F.120详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例7.求解方程解解: 方程改写为:或:易看出,此方程有积分因子121详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 即故方程的通解为:例例8.求解方程解解:故方程不是全微分方程。Q.E.F.122详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 方法方法1:即故方程的通解为:123详细课资机

46、动 目录 上页 下页 返回 结束 方法方法2:方程改写为:容易看出方程左侧有积分因子:故方程的通解为:124详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 方法方法3:方程改写为:这是齐次方程,即故通解为:变量还原得原方程的通解为:125详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 方法方法4:Q.E.F.方程改写为:故方程的通解为:即方程的通解为:126详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 在有些情况下,可凭观察和经验根据微分倒推式得到积分因子.常用微分倒推公式常用微分倒推公式:积分因子不一定唯一.例如,对可取127详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 可选用的积分因子有可选用的积分因

47、子有128详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例9.求解解解:即选择积分因子同乘方程两边,得即因此通解为即因x=0也是方程的解,故C为任意常数.机动 目录 上页 下页 返回 结束 Q.E.F.129详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例10求微分方程求微分方程解解将方程左端重新组合将方程左端重新组合,有有可积组合法可积组合法原方程的通解为原方程的通解为Q.E.F.130详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解：解：则原方程乘以积分因子，得例例11.求微分方程不是全微分方程不是全微分方程原方程的通解为(公式法公式法)可积组合法可积组合法Q.E.F.131详细课资机动 目

48、录 上页 下页 返回 结束 132详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 变量分离、线性、恰当方程等能解出转化不能解出或解出形式复杂转化引进参数变量变换熟练掌握1.6一阶隐式微分方程一阶隐式微分方程第七讲第七讲133详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 前面几节介绍的是求解显式方程（1.9）的一些初等积分法.本节要讨论如何求解隐式方程（1.8）方程(1.8)也称为导数未解出的一阶方程导数未解出的一阶方程.求解方程(1.8)的问题分两种情况考虑：1.假如能从(1.8)中把解出，就得到一个或几个显式方程如果能用初等积分法求出这些显式方程的解，那么就得到方程(1.8)的解.134详细课资机

49、动 目录 上页 下页 返回 结束 例例1.求解方程解解:方程左端可以分解因式，得所以原方程的解为Q.E.F.135详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 2如果在(1.8)中不能解出y时，则可用下面介绍的“参数法”求解，本节主要介绍其中两类可积类型：类型类型I类型类型II类型的特点是，方程中不显含y或x ；类型的特点是y 可以解出或x 可以解出.首先，考虑类型中的方程（1.61）我们已经知道，方程(1.61)的一个解y=y(x)在(x,y)平面上的图象是一条曲线，而曲线是可以用参数表示的，称为参数形式解,即是定义在区间上的可微函数类型类型I136详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束

50、使得在上恒成立。显然，如果能从方程(1.61)中求出解y=y(x)，再把它参数化，就可以得到(1.61)的参数形式解，但这是没有什么意义的.下面介绍的参数法，是在方程在方程(1.61)中当解中当解不出来时，先把方程不出来时，先把方程(1.61)化成等价的参数形式，然后化成等价的参数形式，然后根据某种恒等式根据某种恒等式,可以求出原方程可以求出原方程(1.61)的参数形式解的参数形式解.这种求解过程就称为参数法.具体作法如下：137详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解法：解法：引入变换从(1.61)得到则，方程的参数形式通解为关键关键(or引入变换从(1.61)得到)（1.61）138

51、详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 同理，可以讨论类型的方程(1.65)解法：解法：引入变换从(1.65)得到则，方程的参数形式通解为(or引入变换从(1.65)得到)若有实根则也是方程的解。 关键139详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解解: :本题不显含y，令则由方程，得从而于是求解方程例例2.通解为Q.E.F.技巧技巧!140详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例3.求解方程解解: :把代入原微分方程令得由此得且方程的参数形式的通解为此外, 也是方程的解。 Q.E.F.141详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 现在，考虑类型中的方程（1.66）类型类型

52、II(能解出能解出 y (或或x )的方程的方程)这里假设函数 有连续的偏导数。解法解法：引进参数 ，则(1.66)变为两边关于 x 求导，并把 代入，得这是关于这是关于x和和p 显式方程显式方程142详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 (i)(i)若已得出(*)的通解形式为,代入(*)(ii)(ii) 若得出(*)通解形式为 ，则原方程(1.66)有参数形式的通解其中 p是参数，c为任意常数。(iii)(iii) 若求得(*)通解形式 ，则原方程(1.66)有其中p是参数,c为任意常数。参数形式通解就是(1.66)的通解。得143详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 现在，考虑

53、类型中的第二个方程（1.69）两边对 y 求导 若求得通解为则(1.69)的通解为则(1.69)的通解为解法解法：引进参数 ，则(1.69)变为144详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解：解：令得两边对 x 求导例例4.4.求解方程当时，上式乘以 p(积分因子积分因子)，得积分，得解法一：解法一： 解出 y ,145详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 因此，方程参数形式通解当 p=0 时, 由可知，y=0也是方程的解。解出 x，得将它代入得146详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解法二：解法二：解出 x，并把 ，得两边对 y 求导所以，方程的通解为:此外，还有解 y

54、 =0 Q.E.F.147详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解解: :令得两边对 x 求导，得 例例5.求解方程148详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 方程的通解方程的特解Q.E.F.149详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 每一条积分曲线均相切(如图)。 这样的解我们称注注:与通解特解中的之为奇解。xyO下一章将给出奇解的确切含义。150详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 练习练习求解方程注意观察方程的解的特点解解通解奇解克莱洛方程ClairantEquationQ.E.F.151详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 * *利用变量代换的微分方程积分

55、法利用变量代换的微分方程积分法有时方程就都不易解出, 或者虽能解出,但积分计算比较复杂，这时，除了引用适当的参数外，还可以先进行适当的变量代换后再 求解，这种方法称为利用变量代换的微分方程积分法利用变量代换的微分方程积分法。 但是，如何选择适当的变量来代换，没有一定的规律如何选择适当的变量来代换，没有一定的规律, , 需要在做大量的练习中积累经验.152详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解解令则代入原方程，得即克莱洛方程通解奇解例例6.求解方程Q.E.F.153详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 解解: :则令于是代入原方程，得例例7.的通解. 求方程克莱洛方程通解奇解Q.E

56、.F.154详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 155详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 第八讲第八讲1.7几种可降阶的高阶方程几种可降阶的高阶方程本节要介绍三种高阶方程的解法，这些解法的基本思想就是把高阶方程通过某些变换降为较低阶方程加以求解，所以称为“降阶法降阶法”.1.7.1第一第一种可降阶的高阶方程种可降阶的高阶方程方程（1.77）这种方程的特点是方程中出现的最低阶的导数为k.这时只要令(1.78)中就化成（1.78）156详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 如果(1.78)能求出通解则将上式积分k次，就可以求出y了。例子在教材P47，不讲。1.7.2第二第二种

57、可降阶的高阶方程种可降阶的高阶方程方程（1.79）这种方程的特点是方程中不显含自变量x .这时只要令就可使(1.79)降低一阶。(视p为x的函数)157详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例1.求解解解:代入方程得分离变量积分得利用于是有两端再积分得利用因此所求特解为机动 目录 上页 下页 返回 结束 Q.E.F.158详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 方程（1.79）(a)这种方程的特点是方程中不显含因变量x .这时只要令就可使(1.79(a)降低一阶。(视p为y(x) 的函数)例如令故方程化为设其通解为即得分离变量后积分,得原方程的通解159详细课资机动 目录 上页 下

58、页 返回 结束 例例2.求解代入方程得两端积分得(一阶线性齐次方程)故所求通解为解解:Q.E.F.160详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例3.解初值问题解解:令代入方程得积分得利用初始条件,根据积分得故所求特解为得机动 目录 上页 下页 返回 结束 Q.E.F.161详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 1.7.3恰当导数方程恰当导数方程假如方程（1.80）的左端恰为某一函数对x的导数，即(1.80)可化为则(1.80)称为恰当导数方程恰当导数方程。这类方程的解法与全微分方程的解法相类似，显然可降低一阶，成为之后再设法求解这个方程.162详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例4求解方程解：解：Q.E.F.163详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例5求解方程解：解：Q.E.F.先将两端同乘不为0的因子,则有故,从而通解为这一段解法技巧较高,关键是配导数的方法.164详细课资机动 目录 上页 下页 返回 结束 165详细课资