第八章常微分方程..docVIP

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第八章常微分方程.

第八章 常微分方程 知识点拔 8.1 常微分方程的基本概念 一、微分方程的概念 含有自变量、未知函数的及未知函数的导数(或微分)的方程称为微分方程;如果微分方程中的未知函数只含有一个自变量,这样的微分方程称为常微分方程. 微分方程中所含的未知函数及其各阶导数全是一次幂时,微分方程就称为线性微分方程; 二、微分方程的分类 常微分方程:如果微分方程中的未知函数是一元函数,称这种微分方程为常微分方程. 偏微分方程:如果微分方程中的未知函数是多元函数,则称为偏常微分方程. 微分方程中出现的未知函数的导数的最高阶数,称为微分方程的阶. 一阶微分方程的一般形式为:,如:,, 都是一阶微分方程; 二阶微分方程的一般形式为:,如:,是二阶微分方程; 一阶微分方程的一般形式为:,其中是个变量的函数,且必须出现,但可以不出现,如:. 三、微分方程的解 1、如果将某个函数及其导数代入微分方程中,能使方程两边相等,这个函数称为微分方程的解,简单的说就是:满足微分方程的函数就是微分方程的解. 2、若微分方程的解中所含相互独立的任意常数的个数与方程的阶数相同,这种解称为微分方程的通解,即在一定范围内微分方程的所有解的共同表达式. 3、在微分方程的通解中给所有常数以确定的值后而得到的解,叫微分方程的特解. 4、初始条件:就是未知函数及其各阶导数在某个特定点的值作为确定通解中任意常数的条件,或者说:解所必须满足的某种指定的附加条件,叫初始条件. 8.2 一阶微分方程的类型及其解法 一、可分离变量微分方程 1、概念 定义 形如或的一阶微分方程称为可分离变量的微分方程. 2、可分离变量微分方程的通解求法(分离变量法) (1)在微分方程中,若,则方程可化为,两边求不定积分即可得到通解; 如果,则有,即(常数). (2)在微分方程中,若,,则方程可化为,两边求不定积分即得通解; 二、齐次微分方程 1、齐次方程的概念 定义 形如的微分方程,称为齐次微分方程. 2、齐次微分方程的通解求法 设齐次微分方程为,作变换,即,两边求导数得, 于是微分方程就转化为,即,分离变量得,,然后两边求不定积分可得通解,最后将带入到通解中即可求得原微分方程的通解. 三、一阶线性微分方程 1、概念 形如(或)的微分方程称为一阶线性微分方程,简称线性微分方程,其中和是已知的连续函数. 一阶线性微分方程的特点:方程中的和都是一次的. 2、一阶线性齐次微分方程及其解法 定义 形如(或)的微分方程,其中是已知的连续函数,称为一阶线性齐次微分方程,它是可分离变量的方程. 分离变量,得,两边积分, 即,其中表示的一个原函数,于是一阶齐次线性微分方程的通解为 ,其中为任意常数. 3、一阶线性非齐次微分方程及其解法 定义 形如(或)(不恒等于零)的微分方程,称为一阶线性非齐次微分方程,其中和是已知的连续函数. 常数变易法:设一阶非齐次线性微分方程的解为,两边求导数,得 ,将以上两式代入一阶非齐次线性微分方程中,可得 ,即,两边积分后,得,把该积分结果代入,可得一阶非齐次线性微分方程的通解公式为: ,其中为任意常数. 注释:(1)把齐次线性微分方程通解中的任意常数变为待定函数,然后求出非齐次线性微分方程通解的这种方法,叫常数变易法. (2)若方程不是关于,的线性方程,但如果把看成是的函数,该方程就是关于,的线性方程,这时也可以利用常数变易法或公式法求解. (3)若将非齐次线性微分方程的通解公式改写为 不难看出,一阶非齐次线性微分方程的通解有两部分组成:第一项是对应的齐次微分方程的通解;第二项可以看成非齐次微分方程通解中取而得到,即它是该非齐次微分方程的一个特解. 4、一阶线性非齐次微分方程解的结构定理 定理(一阶非齐次线性微分方程解的结构) 一阶非齐次线性微分方程的通解是对应求出求出方程的通解与它的一个特解之和. 5、全微分方程及其解法 (1)全微分方程及其解法 如果一阶微分方程满足,则称该方程为全微分方程. 解法:方程的通解可由公式给出. (2)积分因子 如果条件不能满足,即方程不是全微分方程,这时若有一个适当的函数,使得方程成为全微分方程,,则称函数是微分方程的积分因子. (3)求积分因子的常见思路 求积分因子一般来说不是一件容易的事,通常只要掌握利用观察法求积分因子就可以了. ① 当方程的左端含有的项,而其它项中都含有因式,则方程可能有积分因子; ② 当方程的左端含有的项,而其它项中都含有因式,则方程可能有积分因子; ③的左端含有的项,而其它项中都含有因式,则方程可能有积分因子; ④的左端含有的项,而其它项中都含有因式(或),则方程可能有积分因子(或); ⑤的左端含有的项,而其它项中都含有因式(或),则方程可能有积分因子(或); 6、伯努利方程 形如()的方程叫伯努利方程.

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