01第一节微分方程的基本概念

第八章常微分方程与差分方程对自然界的深刻研究是数学最富饶的源泉.-------傅里叶微积分研究的对象是函数关系，但在实际问题中，往往很难直接得到所研究的变量之间的函数关系，却比较容易建立起这些变量与它们的导数或微分之间的联系，从而得到一个关于未知函数的导数或微分的方程，即微分方程.通过求解这种方程，同样可以找到指定未知量之间的函数关系.因此，微分方程是数学联系实际，并应用于实际的重要途径和桥梁，是各个学科进行科学研究的强有力的工具.如果说“数学是一门理性思维的科学,是研究、了解和知晓现实世界的工具”，那么微分方程就是显示数学的这种威力和价值的一种体现.现实世界中的许多实际问题都可以抽象为微分方程问题.例如，物体的冷却、人口的增长、琴弦的振动、电磁波的传播等，都可以归结为微分方程问题.这时微分方程也称为所研究问题的数学模型.微分方程是一门独立的数学学科，有完整的理论体系.本章我们主要介绍微分方程的一些基本概念，几种常用的微分方程的求解方法及线性微分方程解的理论.第一节微分方程的基本概念分布图示★引言★微分方程的概念★例1★例2★例3★例4★微分方程解的概念★例5★例6★内容小结★课堂练习★习题8-1内容要点：一、微分方程的概念我们把未知函数为一元函数的微分方程称为常微分方程.类似地，未知函数为多元函数的微分方程称为偏微分方程，本章我们只讨论常微分方程.常微分方程的一般形式是:,0),,,,()(nyyyyxF(1.5)其中x为自变量，)(xyy是未知函数.如果能从方程(1.5)中解出最高阶导数，就得到微分方程).,,,,()1()(nnyyyxfy(1.6)以后我们讨论的微分方程组主要是形如(1.6)的微分方程，并且假设(1.6)式右端的函数f在所讨论的范围内连续.如果方程(1.6)可表为如下形式:)()()()(1)1(1)(xgyxayxayxaynnnn(1.7)则称方程(1.7)为n阶线性微分方程.其中),(1xa),(2xa,)(xan和)(xg均为自变量x的已知函数.不能表示成形如(1.7)式的微分方程，统称为非线性方程.在研究实际问题时，首先要建立属于该问题的微分方程，然后找出满足该微分方程的函数（即解微分方程），就是说，把这个函数代入微分方程能使方程称为恒等式，我们称这个函数为该微分方程的解.更确切地说，设函数)(xy在区间I上有n阶连续导数，如果在区间I上，有,0))(,)(),(),(,()(xxxxxFn则称函数)(xy为微分方程(1.5)在区间I上的解.二、微分方程的解微分方程的解可能含有也可能不含有任意常数.一般地，微分方程的不含有任意常数的解称为微分方程的特解.含有相互独立的任意常数，且任意常数的个数与微分方程的阶数相等的解称为微分方程的通解（一般解）.所谓通解的意思是指，当其中的任意常数取遍所有实数时，就可以得到微分方程的所有解（至多有个别例外）.注：这里所说的相互独立的任意常数，是指它们不能通过合并而使得通解中的任意常数的个数减少.许多实际问题都要求寻找满足某些附加条件的解，此时，这类附加条件就可以用来确定通解中的任意常数，这类附加条件称为初始条件，也称为定解条件.例如，条件(1.2)和(1.4)分别是微分方程(1.1)和(1.3)的初始条件.带有初始条件的微分方程称为微分方程的初值问题.微分方程的解的图形是一条曲线，称为微分方程的积分曲线.例题选讲：微分方程的概念例1(E01)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.根据冷却定律:物体温度的变化率与物体和当时空气温度之差成正比,设物体的温度T与时间t的函数关系为),(tTT则可建立起函数)(tT满足的微分方程)20(TkdtdT其中)0(kk为比例常数.这就是物体冷却的数学模型.根据题意,)(tTT还需满足条件.1000tT例2（E02）设一质量为m的物体只受重力的作用由静止开始自由垂直降落.根据牛顿第二定律：物体所受的力F等于物体的质量m与物体运动的加速度成正比，即mF，若取物体降落的铅垂线为x轴，其正向朝下，物体下落的起点为原点，并设开始下落的时间是0t，物体下落的距离x与时间t的函数关系为)(txx，则可建立起函数)(tx满足的微分方程gdtxd22(1.1)其中g为重力加速度常数.这就是自由落体运动的数学模型.根据题意，)(txx还需满足条件.0,0)0(0tdtdxx(1.2)例3（E03）如果设某商品在时刻t的售价为P,社会对该商品的需求量和供给量分别是P的函数),(),(PSPD则在时刻t的价格)(tP对于时间t的变化率可认为与该商品在同时刻的超额需求量)()(PSPD成正比,即有微分方程)0()]()([kPSPDkdtdP(1.3)在)(PD和)(PS确定情况下,可解出价格与t的函数关系.例4（E04）试指出下列方程是什么方程，并指出微分方程的阶数..1ln)cos()4(;052)3(;42)2(;)1(32222xyyxydxdydxydxxdxdydxdyxyxdxdy解(1)是一阶线性微分方程，因方程中含有的dxdy和y都是一次.(2)是一阶非线性微分方程，因方程中含有的dxdy的平方项.(3)是二阶非线性微分方程，因方程中含有的dxdy的三次方.(4)是二阶非线性微分方程，因方程中含有非线性函数)cos(y和.lny微分方程的解例5求曲线族122Cyx满足的微分方程，其中C为任意常数.解求曲线族所满足的方程，就是求一微分方程,使所给的曲线族正好是该微分方程的积分曲线族.因此所求的微分方程的阶数应与已知曲线族中的任意常数的个数相等.这里,我们通过消去任意常数的方法来得到所求的微分方程.在等式122Cyx两端对x求导,得.022yCyx再从122Cyx解出,122yxC代入上式得,012222yyyxx化简即得到所求的微分方程.0)1(2yxxy例6（E05）验证函数xCxysin)(2(C为任意常数)是方程0sin2cotxxxydxdy的通解,并求满足初始条件0|2xy的特解.解要验证一个函数是否是方程的通解，只要将函数代入方程，看是否恒等，再看函数式中所含的独立的任意常数的个数是否与方程的阶数相同.将xCxysin)(2求一阶导数,得dxdy,cos)(sin22xCxxx把y和dxdy代入方程左边得xxxydxdysin2cotxxxxCxxCxxxsin2cotsin)(cos)(sin222.0因方程两边恒等,且y中含有一个任意常数,故xCxysin)(2是题设方程的通解.将初始条件02xy代入通解xCxysin)(2中，得C402.42C从而所求特解为.sin422xxy课堂练习1．验证函数ktCktCxsincos21是微分方程0222xkdtxd的解.并求满足初始条件0,|00ttdtdxAx的特解.