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高等数学 7.2 可分离变量的微分方程

时间:2024-10-20 10:33:26浏览次数:7  
标签:方程 函数 neq 7.2 cfrac 微分方程 高等数学 mathrm

讨论一阶微分方程

\[y' = f(x, y) \tag{1} \]

的一些解法。

一阶微分方程有时也写成如下的对称形式:

\[P(x, y) \mathrm{d}x + Q(x, y) \mathrm{d}y = 0 \tag{2} \]

在方程 \((2)\) 中,变量 \(x\) 与 \(y\) 对称,它既可以看作是以 \(x\) 为自变量 \(y\) 为因变量的方程

\[\cfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = - \cfrac{P(x, y)}{Q(x, y)} \]

(这时 \(Q(x, y) \neq 0\)),也可以看做是以 \(y\) 为自变量 \(x\) 为因变量的方程

\[\cfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}y} = - \cfrac{Q(x, y)}{P(x, y)} \]

(这时 \(P(x, y) \neq 0\))。

一般地,如果一个一阶微分方程能写成

\[\mathrm{g}(y) \mathrm{d}y = f(x) \mathrm{d}x \tag{3} \]

的形式,就是说,能把微分方程写成一端只含 \(y\) 的函数和 \(\mathrm{d}y\) ,另一端只含 \(x\) 的函数和 \(\mathrm{d}x\) ,那么原方程就称为可分离变量的微分方程

假定方程 \((3)\) 中的函数 \(\mathrm{g}(y)\) 和 \(f(x)\) 是连续的。设 \(y = \varphi(x)\) 是方程 \((3)\) 的解,将它代入 \((3)\) 中得到恒等式

\[\mathrm{g}[\varphi(x)] \varphi'(x) \mathrm{d}x = f(x) \mathrm{d}x \]

将上式两端积分,并由 \(y = \varphi(x)\) 引进变量 \(y\) ,得

\[\int \mathrm{g}(y) \mathrm{d}y = \int f(x) \mathrm{d}x \]

设 \(G(y)\) 及 \(F(x)\) 依次为 \(\mathrm{g}(y)\) 及 \(f(x)\) 的原函数,于是有

\[G(y) = F(x) + C \tag{4} \]

因此方程 \((3)\) 的解满足关系式 \((4)\) 。反之,如果 \(y = \Phi(x)\) 是由关系式 \((4)\) 所确定的隐函数,那么在 \(\mathrm{g}(y) \neq 0\) 的条件下,\(y = \Phi(x)\) 也是方程 \((3)\) 的解,事实上,由隐函数的求导法可知,当 \(\mathrm{g}(y) \neq 0\) 时,

\[\Phi'(x) = \cfrac{F'(x)}{G'(y)} = \cfrac{f(x)}{\mathrm{g}(y)} , \]

这就表示函数 \(y = \Phi(x)\) 满足方程 \((3)\) 。所以,如果已分离变量的方程 \((3)\) 中,\(\mathrm{g}(y)\) 和 \(f(x)\) 是连续的,且 \(\mathrm{g}(y) \neq 0\) ,那么 \((3)\) 式两端积分后得到的关系式 \((4)\) ,就用隐式给出了方程 \((3)\) 的解,\((4)\) 式就叫做微分方程 \((3)\) 的隐式解。又由于关系式 \((4)\) 中含有任意常数,因此 \((4)\) 式所确定的隐函数是方程 \((3)\) 的通解。所以 \((4)\) 式叫做微分方程 \((3)\) 的隐式通解(当 \(f(x) \neq 0\) 时,\((4)\) 式所确定的隐函数 \(x = \Psi(y)\) 也可认为是方程 \((3)\) 的解)。

标签:方程,函数,neq,7.2,cfrac,微分方程,高等数学,mathrm
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