常微分方程的基本概念

1、1- 常微分方程的基本概念第十三章常微分方程简介本章介绍微分方程的有关概念及某些简单微分方程的解法。微分方程是包含未知函数及其导数的方程。 由微分方程能够求出未知函数的解析表达式，从而掌握所研究的客观现象的变化规律和发展趋势。因此，掌握这方面的知识，用之分析解决问题是非常重要的。由于在大多数情况下， 微分方程很难求出初等解 （即解的形式是初等函数） 。那么，就需要研究解的存在理论，借助计算机求出微分方程的数值解。本章的内容， 仅仅包含常微分方程的一些最初步的知识， 特殊的一阶和部分二阶微分方程的初等解法；最后一节讨论微分方程的简单应用。1常微分方程的基本概念像过去我们研究其他许多问题一样，首先

2、通过具体实际例子来引入微分方程的概念。1.1两个实例例1.1设某一平面曲线上任意一点(x, y) 处的切线斜率等于该点处横坐标x的 2 倍，且曲线通过点 (1,2) ，求该曲线的方程。解 平面上的曲线可由一元函数来表示设所求的曲线方程为 yf ( x) ，根据导数的几何意义，由题意得dy2xdx（这是一个含未知函数y f (x) 的导数的方程）。另外，由题意，曲线通过点(1,2) ，所以，所求函数 yf ( x) 还满足 y | x 1 2 。?dy?，(1.1)从而得到?dx = 2x?。(1.2)?y |x= 1 = 2为了解出 yf ( x) ，我们只要将 (1.1) 的两端积分，得y2

3、xdx2 x 2Cx2C ，2我们说 yx 2C 对于任意常数 C 都满足方程 (1.1)。再由条件 (1.2) ，将 y |x 12 代入 y x2C ，即1212CC1 。故所求曲线的方程为yx21。再看一个例子：例1.2设质点以匀加速度 a 作直线运动，且 t0 时 s0, vv0 。求质点运动的位移与时间 t 的关系。解这是一个物理上的运动问题。设质点运动的位移与时间的关系为ss(t ) 。则由二阶导数的物理意义，知d 2 sa ，这是一个含有二阶导数的方程。dt 2s |t= 0= 0?，因此， SS(t) 应满足问题再由题意 ?v |t = 0 = v0?2?d s?2 =a，dt

4、?s |t= 0= 0，v |t = 0 = v0。(1.3)(1.4)要解这个问题，我们可以将(1.3) 两边连续积分两次，即dsdt(1.5)atC1 ，sa tdtC1dtC 2 ，即sa t 2C1tC2 ，2(1.6)其中 C1 , C 2 为任意常数。由条件 (1.4)，因为 s |t 00 ，代入 (1.6)，得 C 20 ；再由 v |t 0v0 ，代入 (1.5)，得 C1v0 。故得sat22v0t 为所求。下面我们将通过分析这两个具体的例子，给出微分方程的一些基本概念。1.2微分方程的基本概念总结所给出的两个具体的例子，我们看到：(1)例 1.1 的 (1) 式和例 1.

5、2 的 (1) 式都是含有未知函数的导数的等式（例21 含一阶导数，例2 含二阶导数）；(2) 通过积分可以解出满足这等式的函数；(3)所求函数除满足等式外，还满足约束条件（例1 中的 (2) 式和例 2 中的 (2) 式）（初始条件：例1 有一个初始条件，例2 有两个初始条件） 。由此，我们得到如下的概念。1 微分方程的概念定义 1.1 含有未知函数的导数（或微分）的方程称为微分方程。未知函数是一元函数的方程叫做常微分方程；未知函数是多元函数的方程，叫做偏微分方程。注 (1) 方程中强调含有未知函数的导数。因此，它是反映未知函数、未知函数的导数与自变量之间关系的方程在微分方程中未知函数几自变

6、量可以不单独出现，但必须出现未知函数的导数。(2) 微分方程中的自变量由问题而定。 如 dyx 的自变量是 x ，ds22atdxdt的自变量是 t ， dxx y 的自变量是 y 。dy(3) 微分方程中只含一个自变量的叫常微分方程。例如， x3 yx2 y xy 3x 2 是常微分方程； yxex 不是微分方程；2 u2 u2 u0是偏微分方程（本章不研究） 。x 2yz22 微分方程的阶定义 1.2微分方程中出现的未知函数的最高阶导数的阶数叫做微分方程的阶。例如， dyx 是一阶微分方程；2dxd 2 sa 是二阶微分方程；dt 2x3 yx2 yxy3x 2 是三阶微分方程；y x n

7、 是一阶微分方程；3一般地， F (x, y, y )0 是一阶微分方程的一般形式 是( , ,y(n ) )0，(1.7)F x y y其中 F 是个 n2 变量的函数。这里必须指出，在方程(1.7) 中， y (n ) 是必须出现的，而 x, y, y , y ( n1) 等变量则可以不出现。例如n 阶微分方程y (n )1 0中，除 y( n) 外，其他变量都没有出现。如果能从方程 (1.7) 中解出最高阶导数，得微分方程y(n )( n- 1)。= f ( x, y, y ,L , y(1.8)以后我们讨论的微分方程都是已解出最高阶导数的方程或能解出最高阶导数的方程，且 (1.8) 式

8、右端的函数f 在所讨论的范围内连续。3微分方程的解定义 1.3如果把某函数 y( x) 代入微分方程，能使方程成为恒等式，那么称此函数为微分方程的解。 确切地说，设函数 y(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(n)( x) o 0，那么函数 y( x) 就叫做微( x),L ,j分方程 (1.7) 在区间 I 上的解。例如 yx 2C 是 dy2x 的解；dxyx 21也是 dy2x 的解；dxsa t 2C1 t C2 是 dsat 2 的解；2dtsat 2v0t 也是 dsat 2 的解。2dt定义 1.4( 通解、特解 ) 如果微分方

9、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。确定了通解中任意常数，就得到了微分方程的特解。4如 ，是通解。，是特解。注 (1)微分方程的解有三种形式： 式解y f ( x) 或 xg( y) ； 式解?x = j (t)由方程 ( x, y)0 确定的函数关系（通 分） ；参数方程形式的解?。? y = y (t )(2) 微分方程的通解：是指含有任意常数，且任意常数的个数与方程的 数相同的解。(3)微分方程的通解也不一定能包含它的一切解。如y 2y 21 0 的通解 ysin( x C ) ，但 y1 也是微分方程的解，但它不包含在通解中，因 无论

10、 C 取何 都得不到 y1。4 微分方程的初始条件在例 1.1中，当 x1 时 y2，通常 y | x 12 或 f (1) 2 ；在例 1.2中，当 t0 时 s0即 s |t 00 ，当 t0 时 dsv0 即 s |t 0v0dt 些用来确定任意常数的条件 初始条件。一般来 ，一 微分方程F (x, y, y )0 有一个初始条件 y | x x0y0 ；二 微分方程 F (x, y, y , y)0 有两个初始条件 y |x x0y0 与 y|x x0y1 ；n 二 微分方程 F ( x, y, y , y ( n ) )0 有 n 个初始条件。5初 求微分方程 足初始条件的特解，称

11、初 。如例 1.1 中的、；例1.2 中的、。一般一 微分方程的初 作?F (x, y, y )= 0?；= y0?y |x= x0?(1.9)二 微分方程的初 作5 ?F ( x, y, y , y ) = 0?。y |x= x = y0?0?= y1? y |x= x0?(1.10)6 微分方程解的几何意义常微分方程的特解的图形为一条曲线，叫做微分方程的积分曲线；微分方程的通解的图形是以 C 为参数的曲线族，且同一自变量 x 对应的曲线上的点处处切线的斜率相同。初值问题 (1.9) 的解的几何意义是微分方程通过点( x0 , y0 ) 的那条积分曲线。初值问题 (1.10) 的解的几何意义是微分方程通过点( x0 , y0 ) 且在该点的斜率为 y1 的那条积分曲线。例 1.3 验证：函数x C1 coskt C2 sin kt(1.11)是微分方程d 2 xk 2 x 0(1.12)dt 2的解。解求出所给函数 (1.10) 的导数dxkC1 sin kt kC2 coskt ,(1.13)dtd 2 xk 2 C1 cos ktk 2 C 2 sin ktk 2 (C1 coskt C 2 sin kt )dt 2把 d 2