《高等数学》教案 第30课 微分方程的概念.docxVIP

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课题

微分方程的概念

课时

2课时(90min)

教学目标

知识技能目标:

(1)理解微分方程的有关概念

(2)掌握微分方程,微分方程的解,同解特解,微分方程的阶等

素质目标:

(1)通过融入中国数学史和近现代数学家的故事,坚定学生理想信念,厚植爱国主义情怀

(2)培养学生主动交流的合作精神,使学生学会认识不同类型微分方程之间的关系,培养学生善于探索的思维品质

教学重难点

教学重点:微分方程的有关概念

教学难点:微分方程的解,同解特解,微分方程的阶

教学方法

讲解法、问答法、讨论法

教学用具

电脑、投影仪、多媒体课件、教材

教学过程

主要教学内容及步骤

课前任务

【教师】布置课前任务,和学生负责人取得联系,让其提醒同学通过APP或其他学习软件,预习本节课要讲的知识

【学生】完成课前任务

考勤

【教师】使用APP进行签到

【学生】按照老师要求签到

名人故事

【教师】介绍微分几何之父陈省身的故事

【学生】聆听、互动

互动导入

【教师】提出问题:

在研究问题时,人们通常会用函数表达事物内部之间的联系.但是在解决问题的过程中,往往很难找到所需的函数关系,但却容易找到未知函数及其导数或微分与自变量之间的关系.这种关系式就是所谓的微分方程.

你能举出几个现实中的例子吗?

【学生】聆听、思考、讨论、回答

传授新知

【教师】通过大家的发言,引入新的知识点,讲解微分方程的基本概念及几种简单的微分方程

一、两个实例

【教师】通过实例,使学生了解微分方程在解决实际问题中的应用

例1【曲线方程问题】已知曲线上任一点处切线的斜率等于该点2倍,且曲线经过点(1,2),求此曲线方程.

解设曲线方程为,则曲线在点处的切线斜率为.根据题意有

对其两边积分,得

又曲线经过点(1,2),将代入上式,得.

于是,所求曲线方程为

例2【自由落体运动】设一质量为m的质点,在t=0时刻自由下落(空气阻力忽略不计),求其运动方程.

解建立坐标系如图6-1,设运动方程为,由于质点只受重力作用,且力的方向与运动方向相同,由牛顿第二定律,得质点满足方程

图6-1

即,

对其两边积分,得

上式两边再同时积分,得

其中,是两个独立的任意常数.

又因为,将两个条件代入上式,得.

于是,质点作自由落体的运动方程为

以上两个实例所建立的方程和均含有未知函数的导数.

二、微分方程的概念

【教师】提出微分方程的相关概念

一般地,凡含有未知函数的导数(或微分)的等式称为微分方程.微分方程中所含的未知函数的最高阶导数的阶数,称为微分方程的阶.如上述两个实例中是一阶微分方程,是二阶微分方程.

如果微分方程中未知函数及其各阶导数都是一次的,称为线性微分方程;否则称为非线性微分方程.例如,两个实例中的微分方程和都是线性微分方程;和是非线性微分方程.

任何满足微分方程的函数都称为微分方程的解.求微分方程解得过程称为解微分方程.

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,这样的解称为微分方程的通解.通解中,利用附加条件确定任意常数的取值所得的解称为微分方程的特解,这种附加条件称为初始条件.

如例1中,是微分方程的通解;是微分方程在初始条件下的特解.

通过以上两个实例,我们介绍了微分方程的几个基本概念.微分方程在社会生产实践中,是我们解决许多实际问题的有力工具,现将解决实际问题的方法步骤归纳如下:

(1)建立反映实际问题的微分方程;

(2)按实际问题写出初始条件;

(3)求微分方程的通解;

(4)由初始条件确定所求的特解.

【教师】通过例题,帮助学生掌握微分方程的应用

例3函数(为任意常数)是微分方程的通解吗?说明理由.

解首先验证是微分方程的解,对求导,得

,,

将及代入方程中,得

左边==右边.

所以函数是微分方程的解;又因为解中含有两个独立任意常数,二微分方程是二阶的,故函数是微分方程的通解.

例4【刹车制动问题】列车在直线轨道上以20的速度行驶,当制动时列车获得的加速度为?0.4,问开始制动后多长时间列车才能停住,这段时间内列车行驶了多少米?

解设列车制动后t秒行驶的距离为s米,由题意知,制动后列车行驶的加速度等于?0.4,即

初始条件为.

方程两边同时积分,得速度为

再积分一次,得

将初始条件,代入和,得,.

于是可得制动后列车的速度方程和运动方程,分别为

令,得,所以列车从制动开始到停住所需的时间

把代入,得列车制动后行驶的路程

【学生】聆听、思考、理解、记忆

强化练习

【教师】组织学生以小组为单位,完成以下习题

已知曲线上任意点处的切线斜率为该点横坐标的倒数,

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