微分方程方法和应用.docVIP

PAGE 18 PAGE 17 微分方程方法及应用 300多年前，由牛顿和莱布尼兹所创立的微积分学，是人类科学史上划时代的重大发现，而微积分的产生和发展，又与求解微分方程问题密切相关.这是因为微积分产生的一个重要动因来自于人们探求物质世界运动规律的需求.一般地，运动规律很难全靠实验观测认识清楚，因为人们不太可能观察到运动的全过程.然而，运动物体(变量)与它的瞬时变化率(导数)之间，通常在运动过程中按照某种己知定律存在着联系，我们容易捕捉到这种联系，而这种联系，用数学语言表达出来，其结果往往形成一个微分方程.一旦求出这个方程的解，其运动规律将一目了然． §1微分方程：某些物理过程的数学模型 1.1 物体冷却过程的数学模型 将某物体放置于空气中，在时刻t=0时，测量得它的温度为，10分钟后测量得温度为，我们要求决定此问题和时间的关系，并计算20分钟后物体的温度．这里我们假定空气的温度保持为． 解：为了解决上述问题，需要了解一些热力学的基本规律： 热量总是从温度高的物体向温度低的物体传导的； 在一定的温度范围内，一个物体的温度变化速度与这一物体的温度和所在介质温度的差值成比例（牛顿冷却定律） 设物体在时刻的温度为，则温度的变化速度以来表示．注意到热量总是从温度高的物体向温度低的物体传导的，因而，所以温差恒正；又因物体将随时间而逐渐冷却，故温度变化速度恒负．因此由牛顿冷却定律得到： 这里是比例常数． 方程的解：将方程改写成 的形式，这样变量 和可以”分离”开来．两边同时积分，得到： 这里的是任意常数，对两边取对数，得到： 令，得到： 将时，代入可以得到： 再根据条件，可以得到： 所以： 1.2数学摆 数学摆是系于一根长度为的线上而质量为的质点，在重力的作用下，它在垂直于地面的平面上沿圆周运动，我们要确定摆的运动方程： 解：设取逆时针运动方向作为计算摆与铅垂线所成的角的正方向．质点沿圆周的切向速度可以表示为．作用于质点的重力将摆拉回到平衡位置；我们将重力可以分解为两个分量，一个沿这线的方向，此方向???力正好和线的拉力相抵消，它不会引起质点速度的改变，第二个分量沿圆周的切线方向，它引起质点速度的变化． 摆的运动方程是： 即： 如果只研究摆的微小振动时，即当比较小时的情况，，此时可以得到微小振动时摆的运动方程： 如果我们假设摆是在一个粘性的介质中摆动，那么，沿着摆的运动方向就会存在一个与速度成比例的阻力，如果阻力系数为，则摆的运动方程变为： 如果沿着摆的运动方向恒有一个外力作用与它，这时摆的运动称为强迫微小振动，其方程为： 当要确定摆的某一特定的运动时，我们应该给出摆的初始状态： 当时，，这里代表摆的初始位置，代表摆的初始角速度． §2微分方程的基本概念 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, 叫微分方程． 常微分方程: 未知函数是一元函数的微分方程, 叫常微分方程． 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． 微分方程的阶数: 微分方程中所出现的未知函数的最高阶导数的阶数, 叫微分方程的阶数． 例2.1 x3 y￠￠￠+x2 y￠￠-4xy￠=3x2 , y(4) -4y￠￠￠+10y￠￠-12y￠+5y=sin2x, y(n) +1=0, 一般n阶微分方程具有如下的形式: F(x, y, y￠, × × × , y(n) )=0（隐式方程） y(n)=f(x, y, y￠, × × × , y(n-1) )（显式方程） 其中上式一定含有y(n)，是未知函数，是自变量． 微分方程的解: 满足微分方程的函数(把函数代入微分方程能使该方程成为恒等式)叫做该微分方程的解. 确切地说, 设函数y=j(x)在区间I上有n阶连续导数, 如果在区间I上, F[x, j(x), j￠(x), × × ×, j(n) (x)]=0, 那么函数y=j(x)就叫做微分方程F(x, y, y￠, × × ×, y(n) )=0在区间I上的解． 通解: 如果微分方程的解中含有任意常数, 且任意常数的个数与微分方程的阶数相同, 这样的解叫做微分方程的通解． 初始条件: 用于确定通解中任意常数的条件, 称为初始条件． 如 x=x0 时, y=y0 , y￠= y￠0 . 一般写成 , . 特解: 确定了通解中的任意常数以后, 就得到微分方程的特解. 即不含任意常数的解 初值问题: 求微分方程满足初始条件的解的问题称为初值问题. 如求微分方程y￠=f(x, y)满足初始条件的解的问题, 记为 积分曲线: 微分方程的解的图形是一条曲