最新微分方程讲义与例解
微分方程讲义与例解
微分方程讲义与例解
一．常微分方程的基本概念
1．1常微分方程:含有未知函数及未知函数的导数和自变量的等式.
1．2方程1阶:方程中所含未知函数导数的最高阶数.
1．3方程的解及初始条件:设一般的?Skip Record If...?阶方程为?Skip Record If...?…,?Skip Record If...?,?Skip Record If...?是定义在某区间?Skip Record If...?上的函数,切满足?Skip Record If...?…,?Skip Record If...?,?Skip Record If...?,则称?Skip Record If...?为方程的解.条件: ?Skip Record If...?…,?Skip Record If...?称为方程?Skip Record If...?…,?Skip Record If...?的初始条件.满足初始条件的解称为特解.含有?Skip Record If...?个任意常数的解称为通解.
二．一阶方程
一般的一阶微分方程为?Skip Record If...?或者?Skip Record If...?.
2．1可分离变量的方程:?Skip Record If...?.
求解的步骤是
(1)分离变量得?Skip Record If...?,
(2)两边同时积分?Skip Record If...?.如果令?Skip Record If...?为?Skip Record If...?的某一原函数,?Skip Record If...?为?Skip Record If...?的某一原函数,则?Skip Record If...?为方程的隐式通解.
2．2齐次方程:?Skip Record If...?.
求解的步骤是
(1)作变换:令?Skip Record If...?则?Skip Record If...?,两端同时求导得?Skip
Record If...?代入原方程得
?Skip Record If...?,于是?Skip Record If...?为一分离变量的方程,由2．1可解,设其通解为
?Skip Record If...?.
(2)代回原变量得?Skip Record If...?.
2．3一阶线性方程:
?Skip Record If...?
(1)
当?Skip Record If...?≡?Skip Record If...?时,称方程
?Skip Record If...?
(2)
为一阶齐线性方程.否则称为一阶非齐线性方程.方程(2)是可分离变量方程,其通解为
?Skip Record If...?.
而非齐线性方程(1)的通解为
?Skip Record If...??Skip Record If...?.
2．4佰努利方程:?Skip Record If...?,?Skip Record If...?
解:以?Skip Record If...?除方程两端,得
?Skip Record If...??Skip Record If...?,
令?Skip Record If...?,有?Skip Record If...?为一阶线性方程,求解后再把?Skip Record If...?回代即得原方城的通解.
2．5全微分方程:对称式的微分方程
?Skip Record If...?,
为全微分方程的充分必要条件是
?Skip Record If...?.
其通解为
?Skip Record If...?.
例1 设连续函数?Skip Record If...?满足关系式?Skip Record If...?,则
?Skip Record If...?.
解?Skip Record If...?,且?Skip Record If...?.于是?Skip Record If...?,又?Skip Record If...?,知?Skip Record If...?从而
?Skip Record If...?.
例2 已知函数?Skip Record If...?在任意点?Skip Record If...?处的增量为
?Skip Record If...?,且?Skip Record If...?,则?Skip Record If...?.
解?Skip Record If...?或?Skip Record If...?,这是可分离变量的方程,解之得
?Skip Record If...?=?Skip Record If...?,由?Skip Record If...?,知
?Skip Record If...?,于是?Skip Record If...?,?Skip Record If...?.
例3 求方程?Skip Record If...?的通解.
解当?Skip Record If...?有?Skip Record If...?,令?Skip Record If...?代入原方程得
?Skip Record If...?,?Skip Record If...??Skip Record If...?,?Skip Record If...?,?Skip Record If...?.
例4 求方程?Skip Record If...?的通解.
解令?Skip Record If...?,?Skip Record If...?,?Skip Record If...?,代入原方程得
?Skip Record If...?,?Skip Record If...?,?Skip Record If...?,因此?Skip Record If...?,代回原变量有?Skip Record If...?.
例5 求微分方程?Skip Record If...?的通解.
解?Skip Record If...??Skip Record If...?.
例6 设函数?Skip Record If...?具有一阶连续导数,且?Skip Record If...?,若曲线积分
?Skip Record If...?
与路径无关,则?Skip Record If...?的表达式为( ).
(A) ?Skip Record If...?.(B)?Skip Record If...?.(C)?Skip Record If...?.(D)?Skip Record If...?.
解由曲线积分与路径无关,因此有
?Skip Record If...?,即
?Skip Record If...?.
解之得?Skip Record If...?,由于?Skip Record If...?,因此?Skip Record If...?,所以?Skip Record If...?,选(B).
例7 若?Skip Record If...?是?Skip Record If...?的一个特解,则该方程满足初始条件的特解为( ).
(A)?Skip Record If...?.(B)?Skip Record If...?.(C)?Skip Record If...?.(D)?Skip Record If...?.
解?Skip Record If...?,由于有一特解?Skip Record If...?,因此知
?Skip Record If...?,且?Skip Record If...?,所以有?Skip Record
If...?,?Skip Record If...?,原方程为?Skip Record If...?,其通解为?Skip Record If...?,由?Skip Record If...?得?Skip Record If...?,因此?Skip Record If...?,选(D).
例8 求微分方程?Skip Record If...?的通解.
解?Skip Record If...?,因此
?Skip Record If...?
?Skip Record If...?.
例9 求?Skip Record If...?的通解.
解原方程为?Skip Record If...?,令?Skip Record If...?,得
?Skip Record If...?.解之
?Skip Record If...?,
于是
?Skip Record If...?.
例10 求解?Skip Record If...?.
解将原方程两端同乘?Skip Record If...?变形为
?Skip Record If...?,
于是有
?Skip Record If...?,令?Skip Record If...?,
有
?Skip Record If...?为一阶线性方程,可解之.
例11已知函数?Skip Record If...?在?Skip Record If...?上可导,且满足等式?Skip Record If...?,求?Skip Record If...?的表达式.
解由?Skip Record If...?的可导,由上式知?Skip Record If...?可导,故?Skip Record If...?二阶可导,对上式两端同时对?Skip Record If...?求导得
?Skip Record If...?,
解之得?Skip Record If...?.由于?Skip Record If...?,?Skip Reco rd If...?,故?Skip Record If...?.
例12 ?Skip Record If...?的通解.
解由?Skip Record If...?,因此,方程是全微分方程,存在?Skip Record If...?使
?Skip Record If...?,
?Skip Record If...??Skip Record If...?,?Skip Record If...??Skip Record If...?,
又?Skip Record If...?,?Skip Record If...?
故?Skip Record If...?为其通解.
三、可降阶的高阶方程
3．1 ?Skip Record If...?
解?Skip Record If...?,?Skip Record If...?,…,
?Skip Record If...?…?Skip Record If...?…?Skip Record If...?.
3．2 ?Skip Record If...?,方程中不显含变量?Skip Record If...?.
解令?Skip Record If...?则?Skip Record If...?,于是将原方程降为一阶方程为?Skip Record If...?,此方程通解为
?Skip Record If...?,即?Skip Record If...?,因此?Skip Record If...?.
3．3 ?Skip Record If...?,方程中不显含自变量?Skip Record If...?.
解令?Skip Record If...?把?Skip Record If...?看作?Skip Record If...?的函数,而?Skip Record If...?又是?Skip Record If...?的函数,从而?Skip Record If...?是?Skip Record If...?的复合函数,于是有
?Skip Record If...?.
因此得到一阶方程为?Skip Record If...?,解此一阶方程得通解为?Skip Record If...?,则?Skip Record If...?,这是可分离变量方程,因此可求解.
例1 求?Skip Record If...?的通解.
解方程中不含变量?Skip Record If...?,因此令?Skip Record If...?,于是
?Skip Record If...?,?Skip Record If...?,即
?Skip Record If...?,从而有
?Skip Record If...?.
例2 求初值问题的解?Skip Record If...?
《常微分方程》期末试卷
《常微分方程》期末试卷(16) 班级 学号 姓名 得分 评卷人 一、填空题（每小题5分，本题共30分） 1．方程x x y x y e sin d d =+的任一解的最大存在区间必定是 ． 2．方程04=+''y y 的基本解组是 ． 3．向量函数组)(,),(),(21x x x n Y Y Y 在区间I 上线性相关的________________条件是在区间I 上它们的朗斯基行列式0)(=x W ． 4．李普希兹条件是保证一阶微分方程初值问题解惟一的 条件． 5．n 阶线性齐次微分方程的所有解构成一个 维线性空间． 6．向量函数组)(,),(),(21x x x n Y Y Y 在其定义区间I 上线性相关的 条件是它们的朗斯基行列式0)(=x W ，I x ∈． 得分 评卷人 二、计算题（每小题8分，本题共40分） 求下列方程的通解 7. x y x y 2e 3d d =+ 8. 0)d (d )(3223=+++y y y x x xy x 9．0e =-'+'x y y 10．求方程x y y 5sin 5='-''的通解． 11．求下列方程组的通解． ???????+=+=y x t y y x t x 4d d d d 得分 评卷人 三、证明题（每小题15分，本题共30分）
12．设)(1x y ?=和)(2x y ?=是方程0)(=+''y x q y 的任意两个解，求证：它们的朗斯基行列式C x W ≡)(，其中C 为常数． 13．设)(x ?在区间),(∞+-∞上连续．试证明方程 y x x y sin )(d d ?= 的所有解的存在区间必为),(∞+-∞．
高等数学 简明二阶微分方程讲义
高等数学简明二阶微分方程讲义 作者：齐睿添 ————微分方程的理论帮助了很多工程学,物理学中实际 问题的解决 讨论0. 欧拉公式 欧拉公式在二阶线性齐次常系数方程通解的推导和其非齐次方程的自由项为三角函数时的求解过程中有重要的应用. 讨论1. 二阶常系数线性齐次微分方程 实际问题1. 如图，在水平光滑平面上有一物体在弹簧和阻尼器的牵拉下往复运动.阻力f的大小与物体运动速率成正比，阻力f的方向与速度方向相反（f=-cv）.
物体的位置随时间如何变化？ 设位置函数x=x(t) 已知: F弹=-kx,f=-cv 故由牛顿第二定律: 合力=-kx-cv=ma 即a+(c/m)v+(k/m)x=0 得到微分方程： 记 得到形如下式的方程（*） 这便是一个二阶常系数线性齐次微分方程. 其通解如下表所示: 特征方程
(上表的具体推导与证明详见教材P174-177) 可以发现其通解形式是符合物块运动的直观直觉的. 1）如果阻力很大，弹簧弹性弱，那么物块晃动两下很快就会停止. 这种情况下,列出方程的通解应是表中第一条或者第二条. 例如:取m=1kg, k=3, c=4, 一开始物块位置在+0.5m处, 给予它一个初速度-5 m/s. 我们依照数学习惯将时间(自变量)记为x, 将位置(因变量）记为y. 那么方程为: . 特征方程为，有两个不相等实根 通解为 把初值条件带入 求得 故该例的解为 图像
2)如果阻力很小,弹簧的弹性很强,那么物块将反复往返震荡,幅度随时间越来越小.这种情况下方程通解应是上表第三条. 例如: 取m=1kg,c=3,k=4,一开始物块位置在+0.5m处, 给予它一个初速度-5 m/s. 即为 带入初值条件 C_1=1/2, C_2=-17根号7/14 图像为
常微分方程期末考试题大全东北师大
证明题： 设()x f 在[)+∞,0上连续，且()b x f x =+∞ →lim ，又0>a ，求证：对于方程 ()x f ay dx dy =+的一切解()x y ，均有()a b x y x =+∞→lim 。 证明 由一阶线性方程通解公式，方程的任一解可表示为 ()()?? ????+=?-x at ax dt e t f C e x y 0， 即 ()()ax x at e dt e t f C x y ?+= 。 由于b x f x =+∞ →)(lim ，则存在X ，当X x >时，M x f >)(。因而 ()dt e M dt e t f dt e t f x X at X at x at ??? +≥0 )( ())(0 aX ax X at e e a M dt e t f -+ = ? ， 由0>a ，从而有()∞=?? ????+?+∞→x at x dt e t f C 0lim ，显然+∞=+∞ →ax x e lim 。 应用洛比达法则得 ()()ax x at x x e dt e t f C x y ?+=+∞ →+∞ →0 lim lim ()ax ax x ae e x f +∞→=lim ()a b a x f x ==+∞ →lim 。 证明题：线性齐次微分方程组x A x )(t ='最多有n 个线性无关的解，其中)(t A 是定义在区间b t a ≤≤上的n n ?的连续矩阵函数。 证 要证明方程组x A x )(t ='最多有n 个线性无关的解，首先要证明它有n 个线性无关的解，然后再证明任意1+n 个解都线性相关。
常微分方程基本概念习题附解答
§1.2 常微分方程基本概念习题及解答 1．dx dy =2xy,并满足初始条件：x=0,y=1的特解。 解：y dy =2xdx 两边积分有：ln|y|=x 2+c y=e 2x +e c =cex 2另外y=0也是原方程的解，c=0时，y=0 原方程的通解为y= cex 2,x=0 y=1时 c=1 特解为y= e 2 x . 2. y 2dx+(x+1)dy=0 并求满足初始条件：x=0,y=1的特解。 解：y 2dx=-(x+1)dy 2y dy dy=-11+x dx 两边积分: -y 1=-ln|x+1|+ln|c| y=|)1(|ln 1+x c 另外y=0,x=-1也是原方程的解 x=0,y=1时 c=e 特解：y=| )1(|ln 1+x c 3．dx dy =y x xy y 32 1++ 解：原方程为：dx dy =y y 21+31x x + y y 21+dy=3 1x x +dx 两边积分：x(1+x 2)(1+y 2)=cx 2 4. (1+x)ydx+(1-y)xdy=0 解：原方程为： y y -1dy=-x x 1+dx 两边积分：ln|xy|+x-y=c
另外 x=0,y=0也是原方程的解。 5．（y+x ）dy+(x-y)dx=0 解：原方程为： dx dy =-y x y x +- 令 x y =u 则dx dy =u+x dx du 代入有： -112++u u du=x 1dx ln(u 2+1)x 2=c-2arctgu 即 ln(y 2+x 2)=c-2arctg 2x y . 6. x dx dy -y+22y x -=0 解：原方程为： dx dy =x y +x x ||-2)(1x y - 则令 x y =u dx dy =u+ x dx du 211 u - du=sgnx x 1dx arcsin x y =sgnx ln|x|+c 7. tgydx-ctgxdy=0 解:原方程为：tgy dy =ctgx dx 两边积分：ln|siny|=-ln|cosx|-ln|c| siny=x c cos 1=x c cos 另外y=0也是原方程的解，而c=0时，y=0. 所以原方程的通解为sinycosx=c. 8 dx dy +y e x y 32 +=0 解：原方程为：dx dy =y e y 2e x 3
《常微分方程》期末模拟试题
《常微分方程》模拟练习题及参考答案 一、填空题（每个空格4分，共80分） 1、n 阶线性齐次微分方程基本解组中解的个数恰好是 n 个。 2、一阶微分方程 2=dy x dx 的通解为 2=+y x C （C 为任意常数） ，方程与通过点（2，3）的特解为 2 1=-y x ，与直线y=2x+3相切的解是 2 4=+y x ，满足条件3 3ydx =?的解为 22=-y x 。 3、李普希兹条件是保证一阶微分方程初值问题解惟一的 必要 条件。 4、对方程 2()dy x y dx =+作变换 =+u x y ，可将其化为变量可分离方程，其通解为 tan()=+-y x C x 。 5、方程过点共有 无数 个解。 6、方程 ''2 1=-y x 的通解为 42 12122=-++x x y C x C ，满足初始条件13|2,|5====x x y y 的特解为 4219 12264 =-++x x y x 。 7、方程 无 奇解。 8、微分方程2260--=d y dy y dx dx 可化为一阶线性微分方程组 6?=??? ?=+??dy z dx dz z y dx 。 9、方程 的奇解是 y=0 。 10、35323+=d y dy x dx dx 是 3 阶常微分方程。 11、方程 22dy x y dx =+满足解得存在唯一性定理条件的区域是 xoy 平面 。 12、微分方程22450d y dy y dx dx --=通解为 512-=+x x y C e C e ，该方程可化为一阶线性微分方程组 45?=??? ?=+??dy z dx dz z y dx 。 2 1d d y x y -=)1,2 (πx x y x y +-=d d y x y =d d
常微分方程考研讲义第六章非线性微分方程与稳定性
第六章 非线性微分方程和稳定性 [教学目标] 1. 理解解的稳定性、零解稳定性及零解渐进稳定性的概念。 2. 掌握平面初等奇点的分类方法。 3. 了解拟线性近似决定微分方程组的稳定性及用李雅谱若夫第二方法判别稳定性的方法。 4. 了解周期解和极限环的概念。 [教学重难点] 奇点的分类与相应零解的稳定性。 [教学方法] 讲授，实践。 [教学内容] 解的稳定性定义，相平面、相轨线与相图；平面自治系统的性质，奇点的分类及相应零解的稳定性；拟线性近似，李雅谱若夫第二方法判别稳定性，周期解和极限环的概念。 [考核目标] 1.奇点的分类及相应零解的稳定性。 2.李雅谱若夫第二方法判别稳定性。 3.会求周期解和极限环。 §1 相平面、相轨线与相图 把xoy 平面称为平面自治系统 ???==) ,(),(y x Q y y x P x && （6.1） 的相平面. 把(6.1)式的解(),()x x t y y t ==在xoy 平面上的轨迹称为(6.1)式的轨线或相轨线. 轨线族在相平面上的图象称为(6.1)式的相图. 注意：在上述概念中，总是假设(6.1)式中的函数(,),(,)P x y Q x y 在区域)(||,|:|+∞≤< (6.1)式的解(),()x x t y y t ==在相平面上的轨线，正是这个解在(,,)t x y 三维空间中的积分曲线在相平面上的投影. 下面讨论二阶线性系统???????+=+=y a x a dt dx y a x a dt dx 22211211 (6.2) 奇点(0,0)附近轨线的分布:上述系统写成向量形式为方程组)0(det d d ≠=A AX X t 它存在线性变换TX X =~，可化成标准型X J X ~d ~d =t 由A 的特征根的不同情况，方程的奇点可能出现四种类型：结点型，鞍点型，焦点型，中心型. 1．结点型 如果在某奇点附近的轨线具有如图5-1的分布情形，我们就称这奇点为稳定结点.因此，当μ＜λ＜0时，原点O 是 ?????==y t y x t μλd d d dx (6.3) (5.4)式的稳定结点. 图 6-1 图 6-2 如果在某奇点附近的轨线具有如图5-2的分布情形，我们就称这奇点为不稳定结点.因此，当μ＞λ＞0时，原点O 是(5.4)的不稳定结点. 如果在奇点附近的轨线具有如图5-3和图5-4的分布，就称这奇点为临界结点 . 第四章 常微分方程与数学模型 微积分最主要的应用可能就是微分方程了，在物理学、力学、工程技术、经济学和管理科学等实际问题中具有广泛的应用。 一、什么是微分方程 例1：含有未知函数的导数或微分的方程称为微分方程，例如 ()dy u x dx =，其中()y f x =为未知函数，()u x 为已知函数。满足上述方程的函数()y f x =称为微分方程的 解。求下列微分方程满足所给条件的解： （1） 2(2)dy x dx =-，20x y ==； （2）2232d x dt t =， 11t dx dt ==，11t x ==。 二、分离变量法 ※例2：求微分方程y xy '=的通解。 解： 变形为： dy xy dx =， 分离变量：1 dy xdx y =（此时漏掉解0y =）， 两边同时积分： 1 dy xdx y =??， 得：211ln 2 y x C =+， 2 2111122 x C x C y e e e +==， 从而221 112 2 2x x C y e e C e =±=，其中12C C e =±，为任意非零常数， 但0y =亦是方程的解，统一起来，方程的通解为： 212 x y Ce =，C 为任意常数。 上述求解过程比较繁琐，由于经常出现，为方便计，从分离变量后开始将求解过程简写为： 两边同时积分： 1 dy xdx y =??， 得：21ln ln 2 y x C =+， 从而 2 211ln 2 2 x x C y e e Ce == 这个过程严格说是有问题的，但比较简洁，又能得到正确的结果，所以常被采用。 例3：(1)牛顿冷却定律指出：如果物体和周围环境之间的温度相差不是很大的话，物体冷 却速度与温差成正比（同样可用于加热的情况）。命()T t 表示在时刻t 物体的温度，c T 表示周围环境的温度（假定是常数），建立微分方程并求解，得出()T t 的变化规律。 (2)清晨，警察局接到报案，街头发现一具死尸，6:30时测量体温为18℃，7:30时再测一次为16℃，室外温度为10℃（假定不变），人正常体温为37℃，请估计被害人何时死亡？（死亡时刻记为0t ，则0()37T t =，时刻6:30计算时看成6.5） 例4：人口预测 记时刻t 的人口为()P t ，当考察一个国家或一个较大地区的人口时，()P t 是一个很大的整数，为了利用微积分这一数学工具，将()P t 视为连续、可微函数．记初始时刻(0)t =的人口为0P ，假设人口增长的速度（即增长率）与t 时刻的人口数量()P t 成正比，利用下表中数据为20世纪世界人口建模，增长率是多少，建立的模型与数据相符合吗？ 解：设比例系数为μ（即增长率），则()P t 满足的微分方程为： 0,(0)dP P P P dt μ==. 解出 0()t P t P e μ= ， 表明人口将按指数规律随时间无限增长(0μ>)．上式称为人口指数增长模型，也称为马尔 第三章一阶微分方程解的存在定理 [教学目标] 1.理解解的存在唯一性定理的条件、结论及证明思路，掌握逐次逼近法，熟练近似解 的误差估计式。 2.了解解的延拓定理及延拓条件。 3.理解解对初值的连续性、可微性定理的条件和结论。 [教学重难点] 解的存在唯一性定理的证明，解对初值的连续性、可微性定理的证明。 [教学方法] 讲授，实践。 [教学时间] 12学时 [教学内容] 解的存在唯一性定理的条件、结论及证明思路，解的延拓概念及延拓条件，解对初值的连续性、可微性定理及其证明。 [考核目标] 1.理解解的存在唯一性定理的条件、结论，能用逐次逼近法解简单的问题。 2.熟练近似解的误差估计式，解对初值的连续性及可微性公式。 3.利用解的存在唯一性定理、解的延拓定理及延拓条件能证明有关方程的某些性质。 §1 解的存在性唯一性定理和逐步逼近法 微分方程来源于生产实践际，研究微分方程的目的就在于掌握它所反映的客观规律，能动解释所出现的各种现象并预测未来的可能情况。在第二章介绍了一阶微分方程初等解法的几种类型，但是，大量的一阶方程一般是不能用初等解法求出其通解。而实际问题中所需要的往往是要求满足某种初始条件的解。因此初值问题的研究就显得十分重要，从前面我们也了解到初值问题的解不一定是唯一的。他必须满足一定的条件才能保证初值问题解的存在性与唯一性，而讨论初值问题解的存在性与唯一性在常微分方程占有很重要的地位，是近代常微分方程定性理论，稳定性理论以及其他理论的基础。 例如方程 2dy y dx = 过点(0,0)的解就是不唯一，易知0y =是方程过(0,0)的解，此外，容易验证，2y x =或更一般地，函数 2 0 0() c<1 x c y x c x ≤≤?=?-≤? 都是方程过点(0,0)而且定义在区间01x ≤≤上的解，其中c 是满足01c <<的任一数。 解的存在唯一性定理能够很好地解释上述问题，它明确地肯定了方程的解在一定条件下的存在性和唯一性。另外，由于能得到精确解的微分方程为数不多，微分方程的近似解法具有重要的意义，而解的存在唯一性是进行近似计算的前提，如果解本身不存在，而近似求解就失去意义；如果存在不唯一，不能确定所求的是哪个解。而解的存在唯一性定理保证了所求解的存在性和唯一性。 1．存在性与唯一性定理： （1）显式一阶微分方程 ),(y x f dx dy = （3.1） 这里),(y x f 是在矩形域：00:||,||R x x a y y b -≤-≤ （3.2） 上连续。 定理1：如果函数),(y x f 满足以下条件：1）在R 上连续：2）在R 上关于变量y 满足李普希兹（Lipschitz ）条件，即存在常数0L >，使对于R 上任何一对点1(,)x y ， 2(,)x y 均有不等式1212(,)(,)f x y f x y L y y -≤-成立，则方程（3.1）存在唯一的解()y x ?=，在区间0||x x h -≤上连续，而且满足初始条件 00()x y ?= （3.3） 一，常微分方程的基本概念 常微分方程： 含一个自变量x，未知数y及若干阶导数的方程式。一般形式为：F（x，y，y，.....y(n)）=0 (n≠0). 1. 常微分方程中包含未知函数最高阶导数的阶数称为该方程的阶。如：f(x)（3）+3f(x)+x=f(x)为3阶方程。 2.若f（x）使常微分方程两端恒等，则f（x）称为常微分方程的解。 3.含有独立的任意个常数（个数等于方程的阶数）的方程的解称为常微分方程的通解。如常系数三阶微分方程F（t，x（3））=0的通解的形式为：x（t）=c1x（t）+c2x（t）+c3x（t）。 4.满足初值条件的解称为它的特解（特解不唯一，亦可能不存在）。 5.常微分方程之线性及非线性：对于F（x，y，y，......y(n)）=0而言，如果方程之左端是y，y，......y(n)的一次有理式，则次方程为n阶线性微分方程。（方程线性与否与自变量无关）。如：xy（2）-5y，+3xy=sinx 为2阶线性微分方程；y（2）+siny=0为非线性微分方程。 注：a.这里主要介绍几个主要的，常用的常微分方程的基本概念。余者如常微分方程之显隐式解，初值条件，初值问题等概念这里予以略去。另外，有兴趣的同学不妨看一下教材23页的雅可比矩阵。 b.教材28页第八题不妨做做。 二.可分离变量的方程 A.变量分离方程 1.定义：形如 dx dy =f （x)φ(y)的方程，称为分离变量方程。这里f （x ），φ（x ）分别是x ，y 的连续函数。 2.解法：分离变量法? ? +=c dx x f y dy )()(?. （*） 说明： a 由于（*）是建立在φ（y ）≠0的基础上，故而可能漏解。需视情况补上φ（y ）=0的特解。（有时候特解也可以和通解统一于一式中） b.不需考虑因自变量引起的分母为零的情况。 例1.0)4(2=-+dy x x ydx 解：由题意分离变量得：04 2=+-y dy x dx 即： 0)141(41=+--y dy dx x x 积分之，得：c y x x =+--ln )ln 4(ln 4 1 故原方程通解为：cx y x =-4)4( （c 为任意常数），特 解y=0包含在通解中（即两者统一于一式中）。 *例2.若连续函数f （x ）满足 2 ln )2 ()(20 +=? dt t f x f x ，则f （x ）是？ 解：对给定的积分方程两边关于x 求导，得： )(2)('x f x f = （变上限求积分求导） 分离变量，解之得：x Ce x f 2)(= 由原方程知： f （0）=ln2， 代入上解析式得： C=ln2， B.可化为分离变量方程的类型。 解决数学题目有一个显而易见的思想：即把遇到的新问题，结合已知 广西师范大学漓江学院试卷 课程名称：常微分方程课程序号：开课院系：理学系 任课教师： 年级、专业：07数学考试时间：120分钟 考核方式：闭卷 ■ 开卷 □试卷类型：A 卷□B 卷■ 一、填空题(本大题共10小题，每小题3分，共30分) (请在每小题地空格中填上正确答案，错填、不填均无分). 1、当_______________时，方程(,)(,)0M x y dx N x y dy +=称为恰当方程. 2、求(,)dy f x y dx =满足00()y x y =地解等价于求积分方程地连续解． 3、函数组t t t e e e 2,,-地朗斯基行列式值为． 4、二阶齐次线性微分方程地两个解)(),(21x y x y 为方程地基本解组充分必要条件是． 5、若矩阵A 具有n 个线性无关地特征向量n v v v ,,,21Λ，它们对应地特征值分别为n λλλΛ,,21，那么常系数线性方程组Ax x ='地一个基解矩阵)(t Φ=. 6、方程tan dy x y dx =地所有常数解是． 7、如果存在常数0L >,使得不等式对于所有12,),(,)x y x y R ∈（都成立，称函数),(y x f 在R 上关于y 满足利普希茨条件，其中L 为利普希茨常数． 8、)()(x Q y x P dx dy += 称为一阶线性方程，它有积分因子 ?-dx x P e )( ，其通解为 _________ . 9、方程22y x dx dy +=定义在矩形域R:-222,2≤≤-≤≤y x 上，则经过点（0，0）地解地存在区间是． 10、若(),()t t Φψ是齐次线性方程组()X A t X '=地基解矩阵，则()t Φ与()t ψ具有关系． 年 级 ： 专 业： 装订密封线 考 生 答 题 不 得 出 现 红 色字 迹 ， 除 画 图 外 ， 不 能 使用 铅笔答 题；答题 留 空 不 足 时 ， 可 写到 试卷 背面 ；请 注意 保 持试 卷完 整. 第八章 常微分方程 【教学要求】 一、了解微分方程的基本概念：微分方程，微分方程的阶、解、特解、通解、初始条件和初值问题，线性微分方程。 二、熟练掌握一阶可分离变量微分方程的解法。 三、熟练掌握一阶线性非齐次微分方程)()(x q y x p y =+' 的解法——常数变易法和公式法。 四、理解线性微分方程解的性质和解的结构。 五、熟练掌握二阶线性常系数齐次微分方程0=+'+''qy y p y 的解法——特征根法。 会根据特征根的三种情况，熟练地写出方程的通解，并根据定解的条件写出方程特解。 六、熟练掌握二阶线性常系数非齐次微分方程qy y p y +'+'' )(x f =，当自由项f (x )为某些特殊情况时的解法——待定系数法。 所谓f (x )为某些特殊情况是指f (x )为多项式函数，指数函数 或它们的和或乘积形式、三角函数x x x ββαsin cos ,e 。 关键是依据f (x )的形式及特征根的情况，设出特解y *,代入原方程，定出y *的系数。 【教学重点】 一阶可分离变量微分方程、一阶线性微分方程、二阶线性常系数微分方程的解法。 【典型例题】 。的阶数是微分方程例)(e )(12x y y y =-'+'' 2.1.B A 4. 3.D C 解：B 。的特解形式是微分方程例)( e 232x x y y y +=+'-'' x x x b ax B b ax A e )(.e ).(++ x x c b ax D cx b ax C e ).(e ).(++++ 解：C 是一阶线性微分方程。下列方程中例)( ,3 x x y y x B y A y x cos sin 1.e .2=+'='+ y x y D y y x y C ='=+'+''.0 . 解：B ???=='++1)1(0)1(4y y x y y 求解初值问题例 ??-=+x x y y y d )1(d 解：由变量可分离法得 c x y y ln ln 1ln +-=+∴ 代入上式得通解为由21ln ln 1)1(=?=c y x y y 211=+ 的特解。满足求解微分方程例1)0(e 252==-'y x y y x 解：由公式法得 ]d e e 2[e d 12d 1c x x y x x x +???=---? 2005——2006学年第二学期 常微分方程课程试卷（B） 一、填空题（每空2 分，共16分）。 1．李普希滋条件是初值问题存在唯一解的充分条件． 2. 一阶微分方程的一个特解的图像是二 维空间上的一条曲线． 3．线性齐次微分方程组Y A Y ) ( d d x x =的一个基本解组的个数不能多于n个，其中R ∈ x，n R Y∈． 4．二阶线性齐次微分方程的两个解) ( 1 x y? =,) ( 2 x y? =成为其基本解组的充要条件是线性无关． 5．方程2 sin() y xy y '' =+的通解是 6．变量可分离方程()()()()0= +dy y q x p dx y N x M的积分因子是()() x P y N 1 7．性齐次微分方程组的解组) ( , ), ( ), ( 2 1 x x x n Y Y Y 为基本解组的充分必要条件是它们的朗斯基行列式0 ) (≠ x W． 8．方程540 y y y ''' ++=的基本解组是x x e e4 ,- - 二、选择题（每小题3 分，共15分）。 9．两个不同的线性齐次微分方程组（ D ）的基本解组． (A) 一定有相同(B) 可能有相同 (C) 一定有相似(D) 没有相同 10．方程组 ? ? ? ?? ? ? + = + = y x t y y x t x 4 3 d d 2 d d 的奇点)0,0(的类型是（D ）． （A）稳定焦点（B）不稳定焦点（C）鞍点（D）不稳定结点11．方程x(y2－1)d x+y(x2－1)d y=0的所有常数解是（ C ）． (A) 1± = x(B)1± = y (C )1±=y , 1±=x (D )1=y , 1=x 12．n 阶线性非齐次微分方程的所有解（ D ）． （A ）构成一个线性空间 （B ）构成一个1-n 维线性空间 （C ）构成一个1+n 维线性空间 （D ）不能构成一个线性空间 13．方程4d d +-=x y x y （ A ）奇解． (A) 无 (B) 有一个 (C) 有两个 (D) 可能有 三、计算题（每小题8分，共48分） 。 14．求方程 x y x y x y tan d d +=的通解 解：令x y u =，则u x u y '+='， u x u x tan d d = 当0tan ≠u 时，等号两边积分 1d tan d C x x u u +=?? C x u ln ln sin ln += 0≠C Cx x y =sin 15．求方程0d d )1(2=+--y x x y x 的通解 解：积分因子21)(x x =μ， 则 0d 1d 122=+--y x x x y x 为全微分方程．取10=x ，00=y ，于是通积分为 1012 2d d 1C y x x y x y x =+--?? 即 C x x x y =++1 16．求方程2221)(x y x y y + '-'=的通解 解:令 p y ='，得到2 2 2x xp p y +-= （*） ，两端同时关于求导， 常微分方程讲义（一） 课程目标： 掌握常用的常微分方程解题技巧；利用常微分方程的思想建模。上课方式： 课堂讲授、练习与考试。 课程特点： 承接高数、微积分、数学分析等课程而来，与导数、积分的关系非常紧密，在经济数学中有广泛的应用；常与其他数学工具与方法混合使用。 参考书目： 《常微分方程》，蔡燧林编著，武汉大学出版社，2003；及所有标注有“常微分方程”、“应用”、“经济数学”、“金融数学”的教材与专著。 为什么在模拟经济变化时要引入常微分方程？ 注重刻画在无穷小时间段内的变量的动态变化，实现了从“静态”向“动态”的飞跃。 微分方程比初等函数更近于现实，更真于模拟。 什么是方程？)(x y 。 f 什么是微分方程？ dy的方程； 常微分方程：含有dy、dx、 dx 偏微分方程：含有y ?、x ?、x y ??的方程。 x y ??的几何含义：割线、割线的斜率 dx dy 的几何含义：切线、切线的斜率 dx dy x y x =??→?0lim ：数学上——切线的斜率，导数 经济上——变化率，边际 例：求2x y =与x e y =的导数 应当记下来的等式： 1)'(-=n n nx x ，c x dx nx n n +=?-1 x x e e =)'(，c e dx e x x +=? x x 1 )'(ln =，C x dx x +=?ln 1 x x cos )'(sin =，?+=C x xdx sin cos x x sin )'(cos -=，?+=-C x dx x cos )sin ( x tgx 2sec )'(=，?+=C tgx xdx 2sec x ctgx 2csc )'(-=，?+=-C ctgx dx x )csc (2 0)'(=C k kx =)'( '')'(b a b a +=± '')'(ab b a ab += 2' ')'(b ab b a b a -= '')])'([(g f x g f = 第四章高阶微分方程 [教学目标] 1. 理解高阶线性微分方程的一般理论，n阶齐次（非齐次）线性微分方程解的性质与 结构，熟练掌握n阶常系数齐次线性微分方程的待定指数函数解法。 2.掌握n阶非齐次线性微分方程的常数变易法，理解n阶常系数非齐次线性微分方程特解的待定系数法和Laplce变换法。 3.熟练欧拉方程与高阶方程的降阶法和幂级数解法。 4.掌握高阶方程的应用。 [教学重难点]重点是线性微分方程解的性质与结构，高阶方程的各种解法。难点是待 定系数法求特解。 [教学方法] 讲授，实践。 [教学时间] 16学时 [教学内容]线性微分方程的一般理论，齐次（非齐次）线性微分方程解的性质与结构，非齐次线性微分方程的常数变量易法；常系数线性方程与欧拉方程的解法，非齐线性 方程的比较系数法与拉氏变换法；高阶方程的降阶法和幂级数解法及高阶方程的应用。[考核目标] 1.理解高阶线性微分方程的一般理论，能够求解高阶常系数线性微分方程。 2.掌握n阶非齐次线性微分方程的常数变易法。 3.n阶常系数非齐次线性微分方程特解的待定系数法和Laplce变换法。 4.熟练高阶方程的降阶法和幂级数解法及高阶方程的应用。 §4.1线性微分方程的一般理论 4.1.1引言 讨论n阶线性微分方程 1111()()()()n n n n n n d x d x dx a t a t a t x f t dt dt dt ---++++= （4.1） 其中()(1,2,,)i a t i n = 及()f t 都是区间a t b ≤≤上的连续函数 如果()0f t ≡，则方程（4.1）变为： 1111()() ()0n n n n n n d x d x dx a t a t a t x dt dt dt ---++++= （4.2） 称它为n 阶齐线性微分方程，而称一般的方程（4.1）为n 阶非齐线性微分方程，并且通常把方程（4.2）叫对应于方程（4.1）的齐线性方程。 定理1 如果()(1,2,,)i a t i n = 及()f t 都是区间a t b ≤≤上的连续函数，则对于任一 []0,t a b ∈ (1)(1) 000 ,,,n x x x - ，方程（4.1）存在唯一解()x t ?=，定义于区间a t b ≤≤上，且满足初始条件： 1(1)(1)0000001 ()()(),,,n n n d t d t t x x x dt dt ???---=== （4.3） 从这个定理可以看出，初始条件唯一地确定了方程（4.1）的解，而且这个解在所有()(1,2,,)i a t i n = 及()f t 连续的整个区间a t b ≤≤上有定义。 4.1.2 齐线性方程的解的性质与结构 讨论齐线性方程 1111()() ()0n n n n n n d x d x dx a t a t a t x dt dt dt ---++++= （4.2） 定理2（叠加原理）如果12(),(),,()k x t x t x t 是方程（4.2）的k 个解，则它们的线性组合1122()()()k k c x t c x t c x t +++ 也是（4.2）的解，这里12,,,k c c c 是任意常数。 特别地，当k n =时，即方程（4.2）有解 1122()()()n n x c x t c x t c x t =+++ （4.4） 它含有n 个任意常数。在什么条件下，表达式（4.4）能够成为n 阶齐线性方程（4.2）的通解？为了讨论的需要，引进函数线性相关与线性无关及伏朗斯基()Wronsky 行列式等概念。 设12(),(),,()k x t x t x t 是定义在区间a t b ≤≤上的函数，如果存在不全为零的常数 12,,,k c c c ，使得恒等式 1122()()()0k k c x t c x t c x t +++≡ 常微分方程期末考试试卷(6) 学院 ______ 班级 _______ 学号 _______ 姓名 _______ 成绩 _______ 一． 填空题 （共30分，9小题，10个空格，每格3分）。 1.当_______________时，方程M(x,y)dx+N(x,y)dy=0称为恰当方程，或称全 微分方程。 2、________________称为齐次方程。 3、求dx dy =f(x,y)满足00)(y x =?的解等价于求积分方程____________________的连续解。 4、若函数f(x,y)在区域G 内连续，且关于y 满足利普希兹条件，则方程),(y x f dx dy = 的解 y=),,(00y x x ?作为00,,y x x 的函数在它的存在范围内是__________。 5、若)(),...(),(321t x t x t x 为n 阶齐线性方程的n 个解，则它们线性无关的充要条件是__________________________________________。 6、方程组x t A x )(/=的_________________称之为x t A x )(/=的一个基本解组。 7、若)(t φ是常系数线性方程组Ax x =/的基解矩阵，则expAt =____________。 8、满足___________________的点（**,y x ），称为方程组的奇点。 9、当方程组的特征根为两个共轭虚根时，则当其实部________时，零解是稳定 的，对应的奇点称为___________。 二、计算题（共6小题，每题10分）。 1、求解方程：dx dy =3 12+++-y x y x 2.解方程： (2x+2y-1)dx+(x+y-2)dy=0 常微分方程讲义（九） 关于“差分方程”—— “差分”与“微分”的差异：t 的离散性与连续性 t y dt dy t ??=→?0lim t t y y y t y -=????+1 什么时候需要“差分”？当我们面对着固定了“期”的长度后的离散型随机变量时，怎么处理 “差分”与“微分”联系的紧密：高频数据的获取 差分方程的定义 差分方程的阶 k 阶：k 期时滞的相关性 回顾两类最常见的递推数列： 等比数列： 2，4，8，16，32，64，…… t t y y 21=+，且21=y 1 )2(2-?=t t y ，21) 21(21 --?==∑=t t i i t y S 一般公式：1 1-=t t q y y ，q q y y S t t i i t --==∑=1) 1(11 。q 是公比。 等差数列： 2，4，6，8，10，12，…… 21+=+t t y y ，且21=y )1(22-?+=t y t ，2 )(11 t y y y S t t i i t += = ∑= 一般公式：)1(1-+=t p y y t ，2 )(11 t y y y S t t i i t += =∑=。p 是公差。 一阶线性齐次差分方程： 01=++t t ay y 一阶线性非齐次差分方程：b ay y t t =++1 一阶非线性差分方程： )1(1t t t y uy y -=+ 二阶线性齐次差分方程： 011=++-+t t t by ay y 二阶线性非齐次差分方程：c by ay y t t t =++-+11 差分方程的特点：迭代性（递推性） 解差分方程也有特征方程与待定系数法。由于不是常微分方程课程的主要内容，不赘述，有兴趣的同学请参阅相关文献。 迭代法：解差分方程的最原始、然而有时却可能是最有效的方法。 关于“一阶线性非齐次差分方程：b ay y t t =-+1”的解法 a a b y a y t t t --+=110 蛛网模型（线性差分模型） 需求由本期价格决定，而本期价格决定下期的供给。 ??? ??+-=-==-1t st t dt st dt dP c Q bP a Q Q Q ，其中0,,,> d c b a b c a P b d P t t +=+ -1 )())((0d b c a b d d b c a P P t t +++-++-=? 令d b c a P ++=，则P b d P P P t t +--=))((0 结论分析：长期价格会否趋于定值？（即当+∞→t 时，t P 会否存在极限？） t P 是振荡图形 当b d <，t P 衰减振荡，蛛网图形： 当b d =，t P 循环振荡，蛛网图形： 当b d >，t P 放大振荡，蛛网图形： 将t P 抽象为振子运动，则其时间路径为 收敛，图形： 简谐，图形： 发散，图形： 市场混沌的外部约束与金融监管的发展创新（非线性差分模型） 考研数学习题课讲义 第五讲 常微分方程 2016年大纲解读 考试内容 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 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 微分方程的简单应用 考试要求 1．了解微分方程及其阶、解、通解、初始条件和特解等概念． 2．掌握变量可分离的微分方程及一阶线性微分方程的解法，会解齐次微分方程． 3．会用降阶法解下列形式的微分方程：y ′′=f (x,y ′)和 y ′′=f (y,y ′). 4．理解二阶线性微分方程解的性质及解的结构定理． 5．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． 6．会解自由项为多项式、指数函数、正弦函数、余弦函数以及它们的和与积的二阶常系数非齐次线性微分方程． 7．会用微分方程解决一些简单的应用问题． 常考题型及其解法与技巧 题型一 求解一阶微分方程 解题注意: 判断方程类型后用对应的方法求解. 例1 求微分方程 dy dx = y 2+1y 4?2xy 的通解. 例2 求微分方程 dy dx = xy x 2?y 2 满足 y (0) = 1 的特解. 练习: 1. 微分方程 xy ' + 2y = x ln x 满足.______9 1)1(的解为-=y 2. 微分方程x x y y ) 1(-= '的通解是_________________ . 3. 微分方程 xy ' + y = 0 满足条件 y (1) = 1 的解是 ______________ . 4. 过点(1/2, 0)且满足关系式.____11arcsin 2 的曲线方程是=-+ 'x y x y 常微分方程期末复习提要 中央电大 顾静相 常微分方程是广播电视大学本科开放教育数学与应用数学专业的统设必修课程．本课程的主要任务是要使学生掌握常微分方程的基本理论和方法，增强运用数学手段解决实际问题的能力．本课程计划学时为54，3学分，主要讲授初等积分法、基本定理、线性微分方程组、线性微分方程、定性理论简介等内容。本课程的文字教材是由潘家齐教授主编、中央电大出版社出版的主辅合一型教材《常微分方程》．现已编制了28学时的IP 课件供学生在网上学习． 一、复习要求和重点 第一章 初等积分法 1．了解常微分方程、常微分方程的解的概念，掌握常微分方程类型的判别方法． 常微分方程与解的基本概念主要有：常微分方程，方程的阶，线性方程与非线性方程，解，通解，特解，初值问题。 2．了解变量分离方程的类型，熟练掌握变量分离方程解法． （1）显式变量可分离方程为： )()(d d y g x f x y = ； 当0≠g 时，通过积分??+=C x x f y g y d )()(d 求出通解。 （2）微分形式变量可分离方程为： y y N x M x y N x M d )()(d )()(2211=； 当0)()(21≠x M y N 时，通过积分 ??+=C x x M x M y y N y N d ) ()(d )()(2112求出通解。 3．了解齐次方程的类型，熟练掌握齐次方程（即第一类可化为变量可分离的方程）的解法． 第一类可化为变量可分离方程的一阶齐次微分方程为： )(d d x y g x y = ； 令x y u =，代入方程得x u u g x u -=)(d d ，当0)(≠-u u g 时，分离变量并积分，得?=-u u g u x C )(d 1e ，即)(e u C x ?=，用x y u =回代，得通解)(e x y C x ?=. 4．了解一阶线性方程的类型，熟练掌握常数变易法，掌握伯努利方程的解法． （1）一阶线性齐次微分方程为： 0)(d d =+y x p x y 通解为：?=-x x p C y d )(e 。 （2）一阶线性非齐次微分方程为： )()(d d x f y x p x y =+； 用常数变易法可以求出线性非齐次方程的通解：??+?=-]d e )([e d )(d )(x x f C y x x p x x p 。 （3）伯努利方程为：)1,0()()(d d ≠=+n y x f y x p x y n ，常微分方程讲义和作业
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