考研數學——高數:微分方程

一、一階線性微分方程

兩種形式:

非齊次:????????y'+p(x)y=Q(x)

齊次:? ? ? ? ? ?y'+p(x)y = 0

推導過程

推導公式的過程一般由特殊到一般:所以先求解齊次方程的解

>>>\frac{dy}{dx} = -p(x)y

>>>\frac{dy}{y} = -p(x)dx?(然后對等式兩邊同時積分)

>>> ln|y| = -\int p(x)dx+ c_1

>>> y = \pm e^{c_1}e^{-\int p(x)dx} = ce^{-\int p(x)dx}

再來求非齊次方程的解,由齊次解中的常數c聯想非齊次方程中的Q(x)

c如果是關于x的方程,那么由這個解就能推出非齊次方程的形式

那么直接有推斷的式子;????????y = C(x)e^{-\int p(x)dx}...(1)

>>>y' = C'(x)e^{-\int p(x)dx}-C(x)p(x)e^{-\int p(x)dx}...(2)

由于這個式子同時出現了C(x)與p(x)的乘積,為了能結合原方程式(含有p(x)y 且不含C(x)p(x)),所以將(1)式左右同乘p(x),并與(2)相加

y' + p(x)y = C'(x)e^{-\int p(x)dx} = Q(x)?(將e移到右邊再同時積分)

C(x) = \int Q(x)e^{\int p(x)dx}dx + c?(再將這個C(x)代入解的式子中)

y = e^{-\int p(x)dx}\times[\int Q(x)e^{\int p(x)dx}dx+c](最終解)

例題

  • ?p(x) 是誰
  • ?Q(x) 是誰
  • 公式用哪個

(1)y'-\frac{2}{x}y = x^2????????(2) \frac{dy}{dx} = \frac{1}{x+y}?(兩邊求倒數,可以解出y關于x的解)

二、伯努利方程

y' + p(x)y = Q(x)y^\alpha

  1. 如果α=0,則是一階非齊次的形式
  2. 如果α=1,則是一階齊次的形式
  3. 故這里僅考慮α≠0,1的情況

推導過程

y^{-\alpha }y'+p(x)y^{1-\alpha } = Q(x)?(將右邊y項除到左邊)

注意到1-α剛好比-α高一次,如果換元可以大大簡化式子(令 z = y^(1-α) )

z' = y^{-\alpha }y',z'+p(x)z = Q(x)

這時候直接看作z與x的一階線性微分方程求解,最后根據z與y的關系回代即可得到最終解

  1. 將y的次方移項
  2. 換元
  3. 看作新未知數的一階方程求解
  4. 根據關系回代得到結果

例題

(1) \frac{dy}{dx}+\frac{y}{x} = a(lnx)y^2???????

(2) \frac{dy}{dx} = \frac{1}{xy+x^2y^3}?(兩邊求倒數后選擇將一個看作未知數,根據滿足伯努利公式形式的方程的解)


三、常系數齊次線性微分方程

二階常系數齊次線性方程

y''+py'+qy =0

解法

  1. 寫特征方程(改寫為 r^2+pr+q=0
  2. 根據 △ 大于0(小于0、等于0)三種情況,代入三種根的解(r1、r2為特征方程的兩個根)
    1. \Delta \geq 0?時 直接根據中學的求根公式得到根
    2. \Delta <0,r_1 = \alpha +\beta i,r_2 = \alpha -\beta i

????????(1)\Delta >0,y = c_1e^{r_1x}+c_2e^{r_2x}

????????(2)y = (c_1+c_2x)e^{r_1x},(r_1=r_2)

????????(3)y = e^{\alpha x}(c_1cos\beta x+c_2sin\beta x)

例題

求微分方程通解????????y^{(4)}-2y^{(3)}+5y'' = 0

  1. 寫特征方程?r^4 -2r^3+5y^2 = 0
  2. 改寫方程形式得到?r^2(r^2-2r+5) = 0
  3. 這時可以看到是有r1=r2=0(二重實根),計算得到r3,r4為單復根
  4. 結果?y = e^{0x}(c_1+c_2x)+e^x(c_3cos2x+c_4sin2x)

暫時沒復習到線代部分,我看網課對這里的單復的理解就是,這個解如果有和它相等的,那這個就是復根,有多少個相同的就是多少重復根,這也能講得通為什么 △>0時表現出來的是兩個單實根,而等于0時表現出來的是2重復根

四、常系數非齊次線性微分方程

這部分的教材資料可以參考下面這篇博客http://t.csdnimg.cn/Z9prHicon-default.png?t=N7T8http://t.csdnimg.cn/Z9prH

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