高等数学·8 常微分方程
考纲内容
- 常微分方程的基本概念
- 变量可分离的微分方程
- 齐次微分方程
- 一阶线性微分方程
- 伯努利(Bernoulli)方程
- 全微分方程
- 可用简单的变量代换求解的某些微分方程
- 可降阶的高阶微分方程
- 线性微分方程解的性质及解的结构定理
- 二阶常系数齐次线性微分方程
- 高于二阶的某些常系数齐次线性微分方程
- 简单的二阶常系数非齐次线性微分方程
- 欧拉(Euler)方程
- 微分方程的简单应用
一、微分方程基本概念
考纲摘要:了解微分方程及其阶、解、通解、初始条件和特解等概念
- 微分方程:表示未知函数、未知函数的导数与自变量之间的关系的方程叫做微分方程
- 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
- 微分方程的解:设函数
在区间 上有 阶连续导数,如果在区间 上 ,那么函数 就叫该微分方程在区间 上的解 - 微分方程的通解:如果微分方程中含有任意常数,且任意常数的个数与微分方程的阶数相同,这样的解就是微分方程的通解
- 当给定初始条件时,通解中的任意常数就可以被确定,这样就可以得到微分方程的特解
二、一阶微分方程
1. 可分离变量的微分方程
考纲摘要:掌握变量可分离的微分方程的解法
如果一个一阶微分方程可以写成
左右积分可得
考法:
- 求解可分离变量的微分方程
- 列出微分方程(通常是可分离变量的微分方程),求解简单的实际问题
2. 一阶线性微分方程
考纲摘要:一阶线性微分方程的解法
1. 一般的一阶线性微分方程
一阶线性微分方程的基本形式如下所示:
如果
非齐次线性方程的求解公式:
然后用这个
完整的非齐次线性微分方程求解公式:
2. 伯努利方程
考纲摘要:会解伯努利方程
伯努利方程的基本形式:
限定
是因为如果 ,方程就可以直接化成一个一阶线性微分方程
对这个方程变形:
显然,
之后,按照一阶线性微分方程的解法求出
3. 题型
- 求解一阶线性微分方程
- 列出一阶线性微分方程解决一些简单的实际问题
- 利用变量代换把微分方程化为可分离变量的微分方程并进行求解
- 求解伯努利方程
3. 齐次微分方程
考纲摘要:会解齐次微分方程
1. 齐次方程的解法
如果一个方程可以化为这样的形式:
则称之为齐次方程
齐次方程的解法:
令
直接得到:
两边积分即可,再用
推导过程
也就是说:
进而化成:
这样两边积分之后,求出了
,那么
2. 把微分方程化为齐次方程
以下方程:
当
令
求解以下方程:
这样求出的
- 求解可以化为齐次方程的一阶微分方程
- 把一阶微分方程化为齐次方程
4. 全微分方程
考纲摘要:会解全微分方程
全微分方程的基本形式:
判断一个方程是否是全微分方程,需要检查以下条件是否成立:
如果这个条件成立,则存在一个函数
这就是全微分的形式,可以很方便的求出
考虑二元函数的全微分的形式:
所以这里
被期望为 , 被期望为 ,而需要检查的条件 ,本质上是在测试: 根据偏微分的性质,这个条件必须是成立的,否则
就不是同一个二元函数不同变量的偏导数。
三、可降阶的高阶微分方程
考纲摘要:会用降阶法解下列形式的微分方程:
1. 型
显然,有:
进行
2. 型
可以设
这就成了一个一阶微分方程,利用一阶微分方程的解法求解出
3. 型
令
这样就得到了一阶微分方程:
进一步,利用一阶微分方程的解法求出
显然,这样一来实际上相当于降阶地得到了:
这样一个一阶微分方程方程,再次利用一阶微分方程的解法求解该方程,即可求出
4. 题型
- 求解一些简单的可降到一阶的高阶微分方程
- 利用这样的微分方程求解一些简单的实际问题
四、高阶线性微分方程
考纲摘要:理解线性微分方程解的性质及解的结构
1. 重点知识
1. 阶齐次线性方程
基本形式:
如果
对于
个函数 ,存在不全为零的 个数 ,使得 ,则称这 个函数是线性相关的,否则就是线性无关
在这里,主要研究 2 阶齐次线性方程
2. 2 阶非齐次线性方程的通解
2 阶非齐次线性方程的基本形式:
设
是该 2 阶非齐次线性方程的通解
其中,特解存在叠加原理,即如果方程表示成:
而
的特解,则
3. 常数变易法求非齐次线性方程的通解
已知对应的齐次线性方程的通解:
可用未知函数
设
在此条件下,
这样一来就得到了以下方程:
设
利用克拉默法则求解,则有:
对
2. 题型
- 判断函数是否线性无关
- 给出高阶线性微分方程的特解,求通解
- 验证通解(利用所谓高阶微分方程解的结构的理论来验证)
- 猜出并验证高阶微分方程的特解,验证其线性无关,进而得到其通解
- 给出非齐次线性方程对应的齐次线性方程的通解,求解非齐次线性方程的通解(可用常数变易法)
五、常系数齐次线性微分方程
考纲摘要:掌握二阶常系数齐次线性微分方程的解法,并会解某些高于二阶的常系数齐次线性微分方程
1. 二阶常系数齐次线性微分方程的求解
二阶常系数齐次线性微分方程的基本形式:
- 求解其特征方程
,得到两个根 - 按照
判别式的情况,对照下表写出通解即可
| 条件 | 通解 |
|---|---|
其中,如果
2. 二阶以上的常系数齐次线性微分方程的求解
其基本形式:
其特征方程为:
| 特征方程的根 | 对应项数 | 微分方程通解中的对应项 |
|---|---|---|
| 单实根 | 1 | |
| 一对单复根 | 2 | |
| k | ||
| 一对 | 2k |
六、常系数非齐次线性微分方程
考纲摘要:会解自由项为多项式、指数函数、正弦函数、余弦函数以及它们 y 的和与积的二阶常系数非齐次线性微分方程
二阶常系数非齐次线性微分方程的一般形式:
要解这个方程,只需要求出
1. 型
这里
首先,推测
将它们代入原方程,左右约去
如果
,则只需令 ,代入方程后,联立关于 与 的线性方程组进行求解即可 如果
是 的单根,则 则只需令 ,列线性方程组进行求解即可(R'(x) 必须是 次多项式) 如果
是 的重根,则 则只需令 ,列线性方程组进行求解即可(R''(x) 必须是 次多项式)
2. 型
首先可以利用欧拉公式将
表示成复变指数函数的形式: 其中,
是共轭的 次多项式, : 利用求解
的方法求解 得到
,而 则是 的特解。其中,
是共轭的多项式。 是共轭的,因此它们相加后无虚部且为原方程的特解,因此:
其中,
- 如果
不是特征方程的根,则 - 如果
是特征方程的单根,则
七、欧拉方程
考纲摘要:会解欧拉方程
欧拉方程的一般形式:
做变换
一般地,有:
将其代入欧拉方程,即可得到一个以
八、微分方程的简单应用
利用微分方程解决实际问题,核心在于建立模型。
1. 几何应用
利用导数的几何意义(切线斜率 y')列方程。例如:求一条曲线,使其切线在
2. 物理应用
- 牛顿第二定律:
。常用于变力做功、物体运动分析。 - 牛顿冷却定律:物体温度的变化率与物体温度与环境温度之差成正比。
- 放射性元素衰变/人口增长:变化率与现存量成正比。
