7834-第34讲微分方程的概念

高等院校非数学类本科数学课程——一元微积分学大学数学（一）第三十四讲常微分方程脚本编写：刘楚中教案制作：刘楚中第七章常微分方程本章学习要求：了解微分方程、解、通解、初始条件和特解的概念.了解下列几种一阶微分方程：变量可分离的方程、齐次方程、一阶线性方程、伯努利（Bernoulli）方程和全微分方程.熟练掌握分离变量法和一阶线性方程的解法.会利用变量代换的方法求解齐次方程和伯努利方程.知道下列高阶方程的降阶法：.)()(xfyn),,(yxfy),,(yyfy了解高阶线性微分方程阶的结构，并知道高阶常系数齐线性微分方程的解法.熟练掌握二阶常系数齐线性微分方程的解法.掌握自由项（右端）为多项式、指数函数、正弦函数、余弦函数以及它们的和或乘积的二阶常系数非齐线性微分方程的解法.微分方程是精确表示自然科学中各种基本定律和各种问题的基本工具之一。现代建立起来的自然科学和社会科学中的数学模型大多都是微分方程。在许多物理、力学、生物等现象中，不能直接找到联系所研究的那些量的规律，但却容易建立起这些量与它们的导数或微分间的关系。含有未知函数的导数（或微分）的关系式。第一节微分方程的基本概念常微分方程方程的阶数线性方程、非线性方程方程的解、通解、特解、所有解初始条件（定解条件）积分曲线（解的几何意义）初值问题、初值问题的解齐次方程、非齐次方程常微分方程含有未知函数的导数（或微分）的方程，称为微分方程。未知函数可以不出现，但其导数一定要出现。未知函数为一元函数的微分方程，称为常微分方程。未知函数为多元函数的微分方程，称为偏微分方程。2ddxtx例xcyxybxysindddd220dd2xyyx322ddtxtx常微分方程),,(222222zyxfzuyuxu偏微分方程常微分方程的阶数微分方程中所出现的未知函数的导数（或微分）的最高次数，称为微分方程的阶数。2ddxtxxcyxybxysindddd22322ddtxtx一阶二阶一阶线性方程、非线性方程若一个方程对未知函数及其导数的全体而言是一次的，且系数只与自变量有关（与未知函数及其导数无关），则称该方程为线性方程，否则，称之为非线性方程。2ddxtxxcyxybxysindddd22322ddtxtx一阶二阶一阶线性线性非线性齐方程、非齐次方程在方程中，不含未知函数及其导数的项，称为自由项。自由项为零的方程，称为齐方程。自由项不为零的方程，称为非齐方程。2ddxtxxcyxybxysindddd22322ddtxtx一阶齐线性方程二阶非齐线性方程一阶非齐非线性方程微分方程的一般表示形式为阶微分方程的一般形式n0),,,,()(。nyyyxF0sindddd),,(22。xcyxybxyyyxF方程的解、通解、特解、所有解能使微分方程成为恒等式的函数，称为方程的解。如果n阶微分方程的解中含有n个相互独立的任意常数，则称此解为n阶微分方程的通解。一般说来，不含有任意常数的解，称为方程的特解。通常由一定的条件出发，确定方程通解中的任意常数来得到特解。但有些特解不能由通解求出，必须利用其它方法直接由方程解出。所有解＝通解＋不能包含在通解内的所有特解。例sincos为微分方程的解：验证函数axaxy)0(02。为常数ayay解,cossinaxaaxay),sin(cossincos222axaxaaxaaxay代入方程，得0,)sincos()sincos(222axaxaaxaxayaysincos为此微分方程的解。故函数axaxy微分方程的解不一定都能用初等函数表示出来。此时可求数值解初始条件（定解条件）由自然科学、社会科学以及数学本身建立微分方程时，往往同时知道微分方程的解应满足某些已知的条件。这些已知条件就称为微分方程的初始条件或定解条件。常微分方程初始条件称为初值问题（柯西问题）例解处上任意一点的平面曲线设通过点),()2,1(0yxMLM.2的方程，求此曲线的切线的斜率为Lx，则有设曲线的方程为)(xyy.2ddxxy应满足条件此外，函数)(xyy，2)(1xxy)1(积分，得式两边关于将)1(xCxxxy2d2)2()3(，得代入将)3()2(,1C故所求的曲线方程为12xy微分方程初始条件通解特解例解处上任意一点的平面曲线设通过点),()2,1(0yxMLM.2的方程，求此曲线的切线的斜率为Lx，则有设曲线的方程为)(xyy.2ddxxy应满足条件此外，函数)(xyy，2)(1xxy)1(积分，得式两边关于将)1(xCxxxy2d2)2()3(，得代入将)3()2(,1C故所求的曲线方程为12xy微分方程初始条件通解特解Cxxxy2d212xy有何想法？积分曲线（解的几何意义）常微分方程解的几何图形称为它的积分曲线。通解的图形是一族积分曲线。特解是这族积分曲线中过某已知点的那条曲线。12xyxyOCxy2)2,1(0M在求微分方程数值解时，往往需要研究解的存在性、唯一性和稳定性。参考书：由北京大学、复旦大学、中山大学编写的《常微分方程》均可。常微分方程的初等方法介绍常微分方程的解法分离变量法常数变易法积分因子法变量代换法降阶法高阶线性常系数微分方程解法特征值法变量代换法