高等数学笔记第八天

微分方程:

   定义: 含有未知函数,未知函数的n阶导数,以及自变量关系的方程。(其中,未知函数的n阶方程必须有);

   分类:    常微分方程;  偏微分方程;

   常用概念: 

         最高阶导数的阶数 称为 微分方程的阶

         微分方程的解:使微分方程成为恒等式的函数y;

                通解:  解中 独立任意常数  的个数 与方程的阶数相同;

                特解:  不含任意常数的解,其图形为积分曲线

         初始条件(或初值条件): 确定 通解中 任意常数的条件;

                     通解不一定是全部解,如: (x+y)y' = 0;

                 验证通解的步骤: 1. 证明解;   2.证明通解;

可分离变量的微分方程:

           考虑如下一阶微分方程

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            其难点: 不能通过等式两边 积分求解;

            处理: 变换。   

                        --> 方程左边只含有 y的表达式;

                        --> 方程右边只含有  x的表达式;

             定义: 若一个微分方程可写成   g(y)dy = f(x)dx,则称其为可分离变量微分方程。(一般情况下为一阶);

齐次方程:

          定义:方程项数的次数整齐,并且次数 >= 2,若为n,同除 一个 x^n,能够得到形如:y'= 的方程;

          公式:   ,其中,固定不变;

一阶线性微分方程:

          定义: 微分方程形如: y' + P(x)*y = Q(x),其中x 近似看成常数,y与y' 看成变量;

          分类

                齐次式(Q(X)=0的情况)分离变量法 --->  (通解)  

                非齐次式(Q(x)=/=0):齐次的通解 +  一个非齐次的特解;

                    常数变易法(方法一):  

                       假定  ,--> -->  -->

                    公式法(方法二)

                          

                  关键点: 在基本初等函数中,只有e^x 的导数是他本身,以上的两种方法都是基于这个思想;

        练习题: 

               法一: 

               法二: 令x+y = u, y = u-x, 

普通高阶线性微分方程:

       伯努利方程:  

        解法:经过变量代换,化为 一阶线性微分方程,变量代换需要依据具体情况而定。

可降阶的高阶微分方程:

         y'' = f(x,y,y');

        1. y^m = f(x): 一次积分;

         2.y^m = f(x,y'): 依次求 y^(m-1), 再向上回溯。(令 y' = P(x) )

         3. y^m = f(y,y'): 令 y' = P(y), 则  y'' = P* (dp/dy);

二阶线性微分方程:

        形如:  y'' + P(x)y' + Q(x)y = f(x)

       齐次解的结构( f(x)=0的情况 )

             设C1y1+ C2y2(一般模型), 若y1,y2线性无关,即是通解(亦可称为 线性无关特解)。

                 两个函数线性无关的充要条件:

                                

                  做题时,应先判断解的线性无关性;

         非齐次解的结构( f(x)=/=0 的情况)

               y=     Y(x) + y^* (x)

               设: (k=1,2 ... m) 分别时方程: 的特解,

                则解的叠加性: 

        eg: y'' + P(x)y' + Q(x)y = f(x)有三个解: y1 = x,y2=e^x, y3 = e^3x,求此方程满足初始条件: y(0) =1,y'(0)=3的特解。

               提示:  y2-y1 与  y3-y2时对应齐次方程的解。

常系数二阶齐次线性微分方程:

        y'' + py' + qy =0 ==> r^2 + rp +q = 0;

      待定系数法: 各阶导数可合并,则假设: y = e^(rx)

            1.当 ∆> 0 时,其解: (注:微分方程一般都是 求通解);

            2.当 ∆= 0 时,可对应一个特解.  y1 = e^(rx),  令 y2 = u(x)*e^(rx),然后求 u,可取特解u=x,则 y2 = x*e^(rx).

                     其通解为: y= c1*e^(rx) + c2*x*e^(rx) = e^(rx)* (c1+c2*x);

            3.当 ∆< 0 时,r = ,(共轭复根)

                     欧拉公式: ,被称为: 数学中的天桥,由泰勒公式推到而来;

                      它经过若干次化简后,可以得到通解:  

                                   

                   eg:   y'''' - 2y''' + 5y''=0  ==> r^4 - 2*r^3 +5*r^2 =0;  --> r1=r2=0;  r3,r4 = 1+- 2i, (虚数);

                          y= (c1+ c2*x)*e^(0x) + e^x * (c3 cos2x + c4 sin2x);

常系数非齐次线性微分方程:

            y'' +p*y' +q = f(x);

          f(x)的情况有:

            1.,(m表次数),求 y* = e^(λx),Q(x), 即求 Q(x);

                   代入得: Q''(x) + (2λ+p)Q'(x) +(λ^2 + pλ+q)Q(x) = 

               若等式左右的次数相等: 

                       1.当 λ^2 + pλ+q =/=0时, 即 λ不是特征根,记为: 

                       2.当 λ^2 + pλ+q =0 且 2λ-p =/=0时,即  λ 是单根,记为: 

                       3.当 λ^2 + pλ+q =0 且 2λ-p=0时,即 λ 是重根,记为: 

                记为:,其中,k 表根的情况,如0重根 (λ通常是已知的),1单根,双重根。

        eg:  求 y'' -2y' -3y = 3x+1的一个特解,有λ=0,m=1

                  思路: 有: y* = ,可令: ,代入原式;

        eg: 求 y'' -5y' +6y = x*e^(2x)  的通解;

                                          

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