第八章 微分方程初步
内容提示与分析
§8.1 微分方程的一般概念
1. 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。
常微分方程:微分方程中的未知函数是一元函数的,叫常微分方程,其一般形式为
。
偏微分方程:未知函数是多元函数的微分方程,叫偏微分方程。
2. 微分方程的阶:微分方程中出现的未知函数的最高阶导数的阶数,叫做微分方程的阶。
3.微分方程的解:如果把某个函数以及它的各阶导数代人微分方程,能使方程成为恒等式,这个函数称为微分方程的解。
微分方程的解有通解与特解两种形式。
4. n 阶微分方程的通解:含有n个独立的任意常数的解,叫 n 阶微分方程的通解。
5.微分方程的特解:不含有任意常数的解,叫微分方程的特解。
§8.2 一阶微分方程
一阶微分方程的一般形式是
一、可分离变量的一阶微分方程
如果一阶微分方程能表达成则称此方程为可分离变量的一阶微分方程。
设,则将变量分离后得
然后两边积分
即可得微分方程通解。
二、齐次方程
齐次微分方程的标准形式为
令 两边求导,有代入原方程得
这是一个可分离变量的方程,求解后用代回,即可得原方程的通解。
三、一阶线性微分方程
未知函数及其导数都是一次的一阶微分方程
(1)
称为一阶线性微分方程。若,得
(2)
称为一阶线性齐次方程,此时可将方程(2)分离变量,得
得(2)的通解为
(3)
其中为任意常数。若,
则方程(1)称为一阶线性非齐次方程,下面我们来求方程(1)的通解。
用常数变易法,将与(1)对应的齐次方程(2)的通解(3)中的任意常数C,换成待定的函数u(x),即设
(4)
是(1 )的解。由于
(5)
将(4)和(5)代入(1)得
积分得
代入(4)得
这就是(1)的通解。
所以,一阶线性非齐方程式 的通解是。
§8.3 可降阶的高阶微分方程
一、型
微分方程的右端仅含有自变量是x,将两端积分一次,就得到一个 n-1阶微分方程
再积分一次,得
依次进行n次积分,便得含有n个任意常数的通解。
二、型
方程右端不显含未知函数y,(可能含有y'),从而原方程化为以为未知函数的一阶方程:
如果能求出上述方程的通解再由方程
可求得原方程的通解:
3.型.
方程右端不显含自变量。由于
方程就化为
如能求出通解,即
利用分离变量法,可以进一步求得原方程的通解为
§8.4 二阶常系数线性微分方程
一、二阶常系数线性齐次方程
二阶常系数线性齐次方程,其标准形式是,其中a,b,c是常数,a≠0。
定理1 如果函数的两个特解,则
也是方程的解,其中为常数。
求解微分方程可以通过求解其相应的特征方程的根而得。
若
①为相异实根,
方程通解为:
②为重根,
方程通解为:
③时,特征方程有一对共轭的复根
方程通解为:
二、二阶常系数线性非齐次方程
二阶常系数线性非齐次方程,其标准形式是
,
其中a,b,c是常数,式中的f(x)称为右端项。
定理2 设是线性非齐次方程的一个特解,而是相应的线性齐次方程的通解,则其和为线性非齐次方程的通解。
定理3 设y1是非齐次方程的一个特解, y2是非齐次方程
是非齐次方程
的—个特解。
这就是线性非齐次微分方程解的迭加原理。
对于右端项具有特殊形式的线性非齐次方程,其通解可以根据右端项的形式与相对应的线性齐次方程,通过待定系数法求得。
下表为特殊的右端项的特解形式:
表中是已知n次多项式,而是待定的 n次多项式。
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