37-第37讲线性微分方程解的结构课件

高等院校非数学类本科数学课程——一元微积分学大学数学（一）第三十讲一元微积分的应用(六)脚本编写：刘楚中教案制作：刘楚中——微积分在物理中的应用高等院校非数学类本科数学课程——一元微积分学1第七章常微分方程本章学习要求：了解微分方程、解、通解、初始条件和特解的概念.了解下列几种一阶微分方程：变量可分离的方程、齐次方程、一阶线性方程、伯努利（Bernoulli）方程和全微分方程.熟练掌握分离变量法和一阶线性方程的解法.会利用变量代换的方法求解齐次方程和伯努利方程.知道下列高阶方程的降阶法：了解高阶线性微分方程阶的结构，并知道高阶常系数齐线性微分方程的解法.熟练掌握二阶常系数齐线性微分方程的解法.掌握自由项（右端）为多项式、指数函数、正弦函数、余弦函数以及它们的和或乘积的二阶常系数非齐线性微分方程的解法.第七章常微分方程本章学习要求：了解微分方程、解、通解、2第四节二阶常系数线性微分方程一、高阶线性微分方程的一般理论二、二阶常系数齐线性微分方程的解三、二阶常系数非齐线性微分方程的解第四节二阶常系数线性微分方程一、高阶线性微分方程的一般3一、高阶线性微分方程的一般理论n阶线性方程的一般形式为一、高阶线性微分方程的一般理论n阶线性方程的一般形式为4二阶线性微分方程的一般形式为通常称(2)为(1)的相对应的齐方程。我们讨论二阶线性方程的一般理论，所得结论可自然推广至n阶线性方程中。二阶线性微分方程的一般形式为通常称(2)为(151.二阶齐次线性微分方程的性质和解的结构(1)叠加原理的解，则它们的线性组合也是方程(2)的解，你打算怎么证明这个原理？1.二阶齐次线性微分方程的性质和解的结构(1)叠加原6证证7的解，则它们的线性组合也是方程(2)的解。推广的解，则它们的线性组合也是方程(2)的解。推广8在什么情况下，叠加所得可以成为方程(2)的通解？在什么情况下，叠加所得可以成为方程(2)的通解？9(2)线性无关、线性相关(2)线性无关、线性相关1037-第37讲线性微分方程解的结构课件11例证由三角函数知识可知，这是不可能的，故例证由三角函数知识可知，这是不可能的，故12例证例证13朗斯基(Wronsky)行列式朗斯基行列式可以推广到n个函数的情形。朗斯基(Wronsky)行列式朗斯基行列式可以推广到14例例15(3)二阶齐线性微分方程解的结构定理1的两个线性无关的解，则是方程(2)的通解。(3)二阶齐线性微分方程解的结构定理1的两个线性无关的16定理2定理217例解又容易看出：而由叠加原理，原方程的通解为例解又容易看出：而由叠加原理，原方程的通解为18问题：该问题的解决归功于数学家刘维尔。问题：该问题的解决归功于数学家刘维尔。19代入方程中，得怎么做？关于z的一阶线性方程代入方程中，得怎么做？关于z的一阶线性方程20即故有两边积分，得关于z的一阶线性方程即故有两边积分，得关于z的一阶线性方程21刘维尔公式为原方程的通解。则刘维尔公式为原方程的通解。则22例解由刘维尔公式故原方程的通解为例解由刘维尔公式故原方程的通解为232.二阶非齐线性微分方程解的结构(1)解的性质性质1的一个特解，则是原方程的一个特解。2.二阶非齐线性微分方程解的结构(1)解的性质性质24性质2的一个特解，则是方程的一个特解。性质2的一个特解，则是方程的一个特解。25性质3是其对应的齐方程的一个特解。性质3是其对应的齐方程的一个特解。26性质4的一个特解。性质4的一个特解。27可以直接验证性质1——性质4。可以直接验证性质1——性质4。28如何求特解？定理3的通解，则是方程(1)的通解。由性质1以及通解的概念立即可以得知该定理成立。如何求特解？定理3的通解，则是方程(1)的通解。由性质29常数变易法常数变易法常数变易法常数变易法30常数变易法则有令以下推导的前提常数变易法则有令以下推导的前提31于是对上式两边关于x求导，得这两部分为零。即于是对上式两边关于x求导，得这两部分为零。即32联立(3)、(4)构成方程组解此方程组，再积分，并取积分常数为零，即可得到联立(3)、(4)构成方程组解此方程组，再积分，并取积分33例解该方程所对应的齐方程为它就是我们刚刚讲过的例题，由刘维尔公式得其通解为由常数变易法，解方程组例解该方程所对应的齐方程为它就是我们刚刚讲过的例题，由刘维34两边积分，取积分常数为零，得两边积分，取积分常数为零，得故原方程有一特解从而，原方程的通解为两边积分，取积分常数为零，得两边积分，取积分常数为零，得故原35在这一节中所讲述的理论均可推广到

n阶线性微分方程中去。参考书：北京大学、复旦大学、中山大学等编写的《常微分方程》教材在这一节中所讲述的理论均可推广到参考书：北京36谢谢观看！谢谢观看！37高等院校非数学类本科数学课程——一元微积分学大学数学（一）第三十讲一元微积分的应用(六)脚本编写：刘楚中教案制作：刘楚中——微积分在物理中的应用高等院校非数学类本科数学课程——一元微积分学38第七章常微分方程本章学习要求：了解微分方程、解、通解、初始条件和特解的概念.了解下列几种一阶微分方程：变量可分离的方程、齐次方程、一阶线性方程、伯努利（Bernoulli）方程和全微分方程.熟练掌握分离变量法和一阶线性方程的解法.会利用变量代换的方法求解齐次方程和伯努利方程.知道下列高阶方程的降阶法：了解高阶线性微分方程阶的结构，并知道高阶常系数齐线性微分方程的解法.熟练掌握二阶常系数齐线性微分方程的解法.掌握自由项（右端）为多项式、指数函数、正弦函数、余弦函数以及它们的和或乘积的二阶常系数非齐线性微分方程的解法.第七章常微分方程本章学习要求：了解微分方程、解、通解、39第四节二阶常系数线性微分方程一、高阶线性微分方程的一般理论二、二阶常系数齐线性微分方程的解三、二阶常系数非齐线性微分方程的解第四节二阶常系数线性微分方程一、高阶线性微分方程的一般40一、高阶线性微分方程的一般理论n阶线性方程的一般形式为一、高阶线性微分方程的一般理论n阶线性方程的一般形式为41二阶线性微分方程的一般形式为通常称(2)为(1)的相对应的齐方程。我们讨论二阶线性方程的一般理论，所得结论可自然推广至n阶线性方程中。二阶线性微分方程的一般形式为通常称(2)为(1421.二阶齐次线性微分方程的性质和解的结构(1)叠加原理的解，则它们的线性组合也是方程(2)的解，你打算怎么证明这个原理？1.二阶齐次线性微分方程的性质和解的结构(1)叠加原43证证44的解，则它们的线性组合也是方程(2)的解。推广的解，则它们的线性组合也是方程(2)的解。推广45在什么情况下，叠加所得可以成为方程(2)的通解？在什么情况下，叠加所得可以成为方程(2)的通解？46(2)线性无关、线性相关(2)线性无关、线性相关4737-第37讲线性微分方程解的结构课件48例证由三角函数知识可知，这是不可能的，故例证由三角函数知识可知，这是不可能的，故49例证例证50朗斯基(Wronsky)行列式朗斯基行列式可以推广到n个函数的情形。朗斯基(Wronsky)行列式朗斯基行列式可以推广到51例例52(3)二阶齐线性微分方程解的结构定理1的两个线性无关的解，则是方程(2)的通解。(3)二阶齐线性微分方程解的结构定理1的两个线性无关的53定理2定理254例解又容易看出：而由叠加原理，原方程的通解为例解又容易看出：而由叠加原理，原方程的通解为55问题：该问题的解决归功于数学家刘维尔。问题：该问题的解决归功于数学家刘维尔。56代入方程中，得怎么做？关于z的一阶线性方程代入方程中，得怎么做？关于z的一阶线性方程57即故有两边积分，得关于z的一阶线性方程即故有两边积分，得关于z的一阶线性方程58刘维尔公式为原方程的通解。则刘维尔公式为原方程的通解。则59例解由刘维尔公式故原方程的通解为例解由刘维尔公式故原方程的通解为602.二阶非齐线性微分方程解的结构(1)解的性质性质1的一个特解，则是原方程的一个特解。2.二阶非齐线性微分方程解的结构(1)解的性质性质61性质2的一个特解，则是方程的一个特解。性质2的一个特解，则是方程的一个特解。62性质3是其对应的齐方程的一个特解。性质3是其对应的齐方程的一个特解。63性质4的一个特解。性质4的一个特解。64可以直接验证性质1——性质4。可以直接验证性质1——性质4。65如何求特解？定理3的通解，则是方程(1)的通解。由性质1以及通解的概念立即可以得知该定理成立。如何求特解？定理3的通解，则是方程(1)的通解。由性质66常数变易法常数变易法常数变易法常数变易法67常数变易法则有令以下推导的前提常数变易法则有令以下推导的前提68于是对上式两边关于x求导，得这两部分为零。即于是对上式两边关于x求导，得这两部分为零。即69联立(3)、(4)构成方程组解此方程组，再积分，并取积分常数为零，即可得到联立(3)、(4)构成方程组解此方程组，再积分，并取积分70例解该方程所对应的齐方程为它就是我们刚刚讲过的例题，由刘维尔公式得其通解为由常数变易法，解方程组例解该