《高等数学》课件第六章常微分方程(“方程”相关)共47张.ppt
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- 高等数学 课件 第六 微分方程 方程 相关 47
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1、 北京金企鹅文化发展中心北京金企鹅文化发展中心目录页第 2 页目录页第六章 常微分方程 第一节 微分方程的基本概念 第二节 一阶微分方程 第三节 可降阶的二阶微分方程*第四节 二阶线性微分方程目录页第 3 页目录页第一节 微分方程的基本概念 一、引例 二、微分方程的基本概念LOGO第 4 页第一节 微分方程的基本概念一引例第六章 常微分方程解解:如果一曲线上任意一点(如果一曲线上任意一点(x,y)处的切线斜率等于)处的切线斜率等于2x,且该曲线通过点,且该曲线通过点(1,2),求该曲线的方程,求该曲线的方程例1设所求曲线为设所求曲线为y=f(x),由导数的几何意义可知,由导数的几何意义可知,y
2、=f(x)满足关系式满足关系式又因曲线经过点又因曲线经过点(1,2),即所求曲线应满足,即所求曲线应满足d2dyxx1|2xy(1)(2)对式(对式(1)两边积分,得)两边积分,得22 d()yx xxCC为任意常数(3)把条件(把条件(2)代入式()代入式(3),得),得1C 将将C=1代入式(代入式(3)得所求方程为)得所求方程为21yx(4)可以看出,解可以看出,解决此问题的方法决此问题的方法:(1)首先建立一个)首先建立一个含有未知函数的导含有未知函数的导数的方程,数的方程,(2)然后通过此方)然后通过此方程求出满足所给附加程求出满足所给附加条件的未知函数条件的未知函数LOGO第 5
3、页二微分方程的基本概念第一节 微分方程的基本概念第六章 常微分方程微分方程的定义1 表示未知函数、未知函数的导数及自变量之间关系的方程称为表示未知函数、未知函数的导数及自变量之间关系的方程称为微分方程微分方程在微分方程中,自变量及未知函数在微分方程中,自变量及未知函数可以不出现,但未知函数的导数必可以不出现,但未知函数的导数必须出现须出现微分方程偏微分方程常微分方程 例如:例如:22ddd222dddyssxsxtt,本章我们只介绍常微分方程的有关知识,故后面所述的微分方程都指常微分方本章我们只介绍常微分方程的有关知识,故后面所述的微分方程都指常微分方程程LOGO第 6 页二微分方程的基本概念
4、第一节 微分方程的基本概念第六章 常微分方程123一般地,一阶微分方程的一般形式为一般地,一阶微分方程的一般形式为二阶微分方程的一般形式为二阶微分方程的一般形式为n阶微分方程的一般形式为阶微分方程的一般形式为微分方程的阶2()yf x y,()0F x yy,或或()yf x y y,()0F x y yy,或或()(1)()nnyf xyyy,()()0nF xyyyy,或或LOGO第 7 页二微分方程的基本概念第一节 微分方程的基本概念第六章 常微分方程微分方程的解3定义1 如果函数如果函数y=f(x)满足一个微分方程,则称它是该微分方程的满足一个微分方程,则称它是该微分方程的解解求微分求
5、微分方程的解的过程,称为解微分方程方程的解的过程,称为解微分方程 若微分方程的解中含有相互独立的若微分方程的解中含有相互独立的任意常数,并且任意常数的个数等于该任意常数,并且任意常数的个数等于该微分方程的阶数,则这个解称为该微分微分方程的阶数,则这个解称为该微分方程的方程的通解通解 通解中的任意常数,根据某些条件通解中的任意常数,根据某些条件确定下来后,对应的解称为该微分方程确定下来后,对应的解称为该微分方程的一个的一个特解特解用于确定通解中任意常数的条用于确定通解中任意常数的条件称为件称为初始条件初始条件 从几何上说,微分方程通解的图形是一族曲线,即积分曲线族,而微分方程的特解是积分从几何上
6、说,微分方程通解的图形是一族曲线,即积分曲线族,而微分方程的特解是积分曲线族的一条积分曲线曲线族的一条积分曲线目录页第 8 页目录页第二节 一阶微分方程 一、最简单的一阶微分方程的解法 二、可分离变量的微分方程 三、齐次型微分方程 四、一阶线性微分方程LOGO第 9 页一最简单的一阶微分方程的解法第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程最简单的一阶微分方程的解法最简单的一阶微分方程的解法形如形如d()dyf xx的方程是最简单的一阶微分方程它的右端是自变量的已知函数,其解法很简单,将上式的方程是最简单的一阶微分方程它的右端是自变量的已知函数,其解法很简单,将上式改写成微分式,即改写成微分式,即d
7、()dyf xx两边积分两边积分()dyf xx便得通解便得通解()yF xC(其中(其中F(x)是是f(x)的一个原函数)的一个原函数)LOGO第 10 页二可分离变量的微分方程第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程可分离变量的微分方程可分离变量的微分方程如果一个一阶微分方程能化成如果一个一阶微分方程能化成的形式,也就是说,微分方程可化成一端只含的形式,也就是说,微分方程可化成一端只含y的函数和的函数和dy的乘积,而另一端只含的乘积,而另一端只含x的函的函数和数和dx的乘积,那么原方程就称为可的乘积,那么原方程就称为可分离变量的微分方程分离变量的微分方程()d()dg yyf xx12可分离
8、变量的微分方程的解法称为可分离变量的微分方程的解法称为分离变量法分离变量法其步骤如下:其步骤如下:分离变量:分离变量:()d()dg yyf xx两边求不定积分:两边求不定积分:得通解得通解()d()dg yyf xx()()G yF xCLOGO第 11 页二可分离变量的微分方程第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程例1解解:求方程求方程 的通解的通解2lnlnyxyx 分离变量得分离变量得原方程可化为原方程可化为 ,它是可分离变量的微分方程,它是可分离变量的微分方程2d(1)lndyyxx2dln d1yx xy两边积分得两边积分得2dln d1yx xy计算积分可得原方程的通解为计算积分
9、可得原方程的通解为 ,即,即arctanlnyxxxCtan(ln)yxxxCLOGO第 12 页二可分离变量的微分方程第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程例2解解:这是可分离变量的微分方程这是可分离变量的微分方程求微分方程求微分方程 的通解的通解d2dyxy x分离变量得分离变量得两边积分得两边积分得即即1d2 dyx xy1d2 dyx xy21ln|yxC2211|eeexCCxy21eeCxy 若令若令 ,它仍是任意常数,便得所给微分方程的通解,它仍是任意常数,便得所给微分方程的通解 1eCC 2exyCLOGO第 13 页三齐次型微分方程第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程齐次型
10、微分方程齐次型微分方程 形如形如 的微分方程称为的微分方程称为齐次型微分方程齐次型微分方程它的解法是它的解法是变量替换法变量替换法ddyyfxx 令令 ,则,则 ,代入上式,得到关于未知函数,代入上式,得到关于未知函数u、自、自变量变量x的微分方程的微分方程 该方程是可分离变量方程,因此可求其通解,进而求得齐次型微分方该方程是可分离变量方程,因此可求其通解,进而求得齐次型微分方程的解程的解yuxddddyuyxuuxxx,d()duuxf uxLOGO第 14 页三齐次型微分方程第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程例3解解:求微分方程求微分方程 的通解的通解dtandyyyxxx令令 ,则,
11、则 ,将其代入原方程,得,将其代入原方程,得分离变量得分离变量得两边积分得两边积分得将将 回代,得原方程的通解为回代,得原方程的通解为 yuxddddyuyxuuxxx,dtanduuxuux1cot ddu uxx1cot ddu uxxlnsinlnlnuxCsinuCxyuxsinyCxxLOGO第 15 页四一阶线性微分方程第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程一阶线性微分方程一阶线性微分方程 形如形如的方程称为的方程称为一阶线性微分方程一阶线性微分方程,其中,其中p(x),Q(X)为已知连续函数为已知连续函数)()(xQyxpy (1)当)当Q(X)=0时,方程变为时,方程变为称为称
12、为一阶线性齐次微分方程一阶线性齐次微分方程()0yp x y (2)当)当Q(X)0时,对应的微分方程称为时,对应的微分方程称为一阶线性非齐次微分方程一阶线性非齐次微分方程LOGO第 16 页四一阶线性微分方程第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程一阶线性齐次微分方程的解法1 对于这种方程,可以用分离变量法求出通解对于这种方程,可以用分离变量法求出通解 分离变量分离变量 两边积分两边积分d()dyp xxy 1d()dyp xxyln()dlnyp xxC 故一阶线性齐次微分方程故一阶线性齐次微分方程 的通解为的通解为()0yp x y()dep xxyCLOGO第 17 页四一阶线性微分方程
13、第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程一阶线性非齐次微分方程的解法2 求一阶线性非齐次微分方程求一阶线性非齐次微分方程 的通解,可采用的通解,可采用“常数常数变易法变易法”,即将上述一阶线性齐次微分方程通解中的常数即将上述一阶线性齐次微分方程通解中的常数C换成待定函数换成待定函数C(x),设,设微分方程微分方程 的解具有形式的解具有形式)()(xQyxpy)()(xQyxpy()d()ep xxyC x于是于是 将将y,y代入代入 ,得,得()d()d()e()()ep xxp xxyC xC xp x)()(xQyxpy()d()e()p xxC xQ x两边积分得两边积分得()d()e()
14、dp xxC xQ xxC 于是可得于是可得()d()dee()dp xxp xxyQ xxCLOGO第 18 页四一阶线性微分方程第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程12一阶线性齐次微分方程一阶线性齐次微分方程的通解的通解一阶线性非齐次微分方一阶线性非齐次微分方程通解中程通解中C=0时的特解时的特解分析一阶线性非齐次微分方程分析一阶线性非齐次微分方程 的通解结构的通解结构将其通解展开,得将其通解展开,得()d()d()deee()dp xxp xxp xxyCQ xxLOGO第 19 页四一阶线性微分方程第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程例4解解:求方程求方程 的通解的通解222(1)
15、2(1)xyxyx将原方程改写成将原方程改写成22211xyyxx 方法一:常数变易法方法一:常数变易法2201xyyx(1)先求出对应齐次方程)先求出对应齐次方程 的通解的通解分离变量得分离变量得2d2d1yxxyx两边积分得两边积分得2d2d1yxxyx2lnln(1)lnyxC所以通解为所以通解为2(1)yCx(2)设非齐次方程的解)设非齐次方程的解为为 ,代入原方程得,代入原方程得积分可得积分可得2()(1)yC xx22222()(1)2()()(1)11xC xxxC xC xxxx()1C x()C xxC由此得原方程的通解为由此得原方程的通解为2(1)()yxxCLOGO第 2
16、0 页四一阶线性微分方程第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程接上页解解:方法二:公式法方法二:公式法因原方程为因原方程为22211xyyxx 此时此时222()()11xp xQ xxx,所以原方程的通解为所以原方程的通解为2222dd211ee(1)dxxxxxxyxxC22ln(1)21ed1xxxCx2(1)()xxCLOGO第 21 页四一阶线性微分方程第二节 一阶微分方程第六章 常微分方程例5解解:根据公式可得方程的通解为根据公式可得方程的通解为求方程求方程 满足初始条件满足初始条件 的特解的特解23exyy 0|0 xy由题意可知,由题意可知,2()3()exp xQ x,3d3
17、d233eeedee de(e)xxxxxxxyxCxCC将初始条件将初始条件 代入通解,得代入通解,得C=-10|0 xy23eexxy所以,所求的特解为所以,所求的特解为目录页第 22 页目录页第三节 可降阶的二阶微分方程 一、型()yf x 二、型()yf xy,三、型()yf yy,LOGO第 23 页第三节 可降阶的二阶微分方程一第六章 常微分方程()yf x 型型 微分方程微分方程 的右端是仅含自变量的右端是仅含自变量x的函数其解法是逐次积的函数其解法是逐次积分,每积分一次,方程降低一阶,经过两次积分,便得含有两个任意常分,每积分一次,方程降低一阶,经过两次积分,便得含有两个任意常
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