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【高等数学】第五章 常微分方程

时间:2023-09-10 13:04:45浏览次数:45  
标签:通解 二阶 线性 齐次 第五章 微分方程 特征方程 高等数学

1 常微分方程的基本概念

引入概念:

【高等数学】第五章 常微分方程_特解


求解过程:

[1] 根据题目可以写出以下关系式:

【高等数学】第五章 常微分方程_特解_02


[2]对导数式两端同时积分:

【高等数学】第五章 常微分方程_通解_03


[3]根据曲线过点(1,2)得:

【高等数学】第五章 常微分方程_特解_04


概念定义:

【1】将方程中含有未知函数、未知函数的导数(或微分)和自变量的方程式叫做微分方程

【2】常微分方程:未知方程是一元函数。偏微分方程:未知函数是多元函数。

【3】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。

【高等数学】第五章 常微分方程_特解_05


【4】微分方程的解:解出的未知函数就是微分方程的解。

【5】微分方程的通解:微分方程的解中包含任意常数(常数的个数应该等于该微分方程的阶数)是这样的解叫通解。

【6】微分方程的特解:根据给出的条件解出了通解中的所有常数后得到的解就是特解。

【高等数学】第五章 常微分方程_特解_06


2 一阶微分方程

形如:F(x,y,y') = 0的方程。

其通解形式为:y = y(x,C)或f(x,y,C)=0。

2.1 可分离变量微分方程

【高等数学】第五章 常微分方程_常微分方程_07


解法:

【高等数学】第五章 常微分方程_夏明亮_08


【例】

【高等数学】第五章 常微分方程_通解_09


解:

【高等数学】第五章 常微分方程_常微分方程_10


2.2 齐次方程

【高等数学】第五章 常微分方程_通解_11


【例】

【高等数学】第五章 常微分方程_常微分方程_12


解:

化简 + 换元 + 分离变量

【高等数学】第五章 常微分方程_特解_13


两边积分并计算

【高等数学】第五章 常微分方程_常微分方程_14


2.3 一阶线性微分方程(大题一道)

形如:

【高等数学】第五章 常微分方程_通解_15


齐次:

【高等数学】第五章 常微分方程_特征方程_16


非齐次:

【高等数学】第五章 常微分方程_特征方程_17


通解结论:

【高等数学】第五章 常微分方程_夏明亮_18


3 可降阶二阶微分方程

3种类型。

解中的常数有2个。

3.1 y‘’ = f(x)型微分方程

解法:移项后等式两边同时解定积分。

3.2 y‘’ = f(x, y')型微分方程

解法:u是关于x的函数u(x)

令u = y'转化为一阶线性(非)齐次微分方程;解得u

再将u中的常数C_1用f(x)替换;根据u=y'得u' = y'';解得f(x)

再将f(x)带入u即解得y'

最后根据上一步中y‘等式两边同时取定积分得方程的解。

3.3 y‘’ = f(y', y'')型微分方程

解法:

与y‘’ = f(x, y')型相同;只是u看作是u(y)即可

4 二阶线性微分方程解的结构

二阶线性微分方程的一般形式:

【高等数学】第五章 常微分方程_特征方程_19


4.1 两个函数的线性相关性

【高等数学】第五章 常微分方程_特解_20


4.2 二阶线性齐次微分方程解的结构

定理1:

【高等数学】第五章 常微分方程_特征方程_21


定理2:

【高等数学】第五章 常微分方程_特解_22


4.3二阶线性非齐次微分方程解的结构

定理3:

【高等数学】第五章 常微分方程_通解_23


5 二阶常系数线性微分方程

5.1 有关一元二次方程根的一些结论

一元二次方程求根的方法有:

【高等数学】第五章 常微分方程_夏明亮_24


方法1:可因式分解时:

【高等数学】第五章 常微分方程_通解_25


方法2:不方便因式分解时使用求根公式:

【高等数学】第五章 常微分方程_夏明亮_26


共轭复根:

【高等数学】第五章 常微分方程_特解_27


因此,根据以上的定义;

【高等数学】第五章 常微分方程_夏明亮_28


5.2 二阶常系数线性齐次微分方程

【高等数学】第五章 常微分方程_特征方程_29


解的过程:

【高等数学】第五章 常微分方程_特征方程_30


结论:

【高等数学】第五章 常微分方程_通解_31

例题:

【1】

【高等数学】第五章 常微分方程_通解_32

解:

首先写出微分方程对应的特征方程:

【高等数学】第五章 常微分方程_特征方程_33


然后解方程:

【高等数学】第五章 常微分方程_通解_34


特征方程有2个不等实根;根据二阶常系数线性齐次微分方程的通解公式得通解:

【高等数学】第五章 常微分方程_通解_35


【2】

【高等数学】第五章 常微分方程_特征方程_36

解:

首先写出特征方程:

【高等数学】第五章 常微分方程_特解_37


然后解方程:

【高等数学】第五章 常微分方程_夏明亮_38


特征方程有一对共轭复根;根据二阶常系数线性齐次微分方程的通解公式得通解:

【高等数学】第五章 常微分方程_特征方程_39


【3】

【高等数学】第五章 常微分方程_夏明亮_40


首先写出特征方程:

【高等数学】第五章 常微分方程_常微分方程_41


然后解方程:

【高等数学】第五章 常微分方程_通解_42


特征方程有2个相等实根(二重根);根据二阶常系数线性齐次微分方程的通解公式得通解:

【高等数学】第五章 常微分方程_常微分方程_43


以上就是常微分方程的全部内容。

本人能力有限,文中内容难免有纰漏,真诚欢迎大家斧正~

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另外本文也参考了网络上其他优秀博主的观点和实例,这里虽不能一一列举但内心属实感谢无私分享知识的每一位原创作者。



标签:通解,二阶,线性,齐次,第五章,微分方程,特征方程,高等数学
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