Section02_一阶微分方程
可分离变量的微分方程
定义
- 设 dxdy=f(x,y) 若 f(x,y)=ϕ2(x)ϕ2(y) 则称为可分离变量的微分方程
解法
dxdy=ϕ1(x)ϕ2(y)⇒∫ϕ2(y)dy=∫ϕ1(x)⋅dx+C
例题
- 求 dxdy=1+x+y2+xy2 的通解
∵∴∴dxdy=1+x+y2+xy2=(1+x)(1+y2)1+y2>01+y2dy=(1+x)⋅dx∫1+y2dy=∫(1+x)⋅dx+Carctany=x+21x2+Cy=tan(x+21x2+C)
- dxdy=2xy 求通解
∴∴∴∴∵∴∴∴When y=0y=0为该方程的一个解When y=0ydy=2x⋅dx∫ydy=∫2x⋅dx+C0ln∣y∣=x2+C0∣y∣=eC0ex2y=(±eC0)ex2y=0±eC0∈(−∞,0)∪(0,+∞)令±eC0=C通解为y={Cex2C∈(−∞,0)∪(0,+∞)0即y=Cex2C∈(−∞,+∞)
齐次微分方程
定义
- 设 dxdy=f(x,y) 若 f(x,y)=ϕ(xy) 则为齐次微分方程
解法
∴∴令u=xy,则y=uxdxd(ux)=u+dxxdu=f(u)f(u)−udu=xdx∫f(u)−udu=∫xdx+C解出u=u(x),再将u=xy代入
例题
- dxdy=2xy−1
∴∴∴令u=xy,则y=uxu+xdxdu=2u−1u−1du=xdx∫u−1du=∫xdx+lnCln(u−1)=lnCxu−1=Cxxy−2=Cxy=Cx2+2x
- xdy−(y+x2+y2)⋅dx=0(x>0),求通解
∴∴∴dxdy=xy+1+(xy)2令xy=uu+xdxdu=u+1+u21+u2du=xdx∫1+u2du=∫xdx+lnCln(u+1+u2)=lnCxy+y2+x2=Cx2
一阶齐次线性微分方程 重点
定义
- 形如 dxdy+p(x)y=0 称为一阶齐次线性微分方程
解法
dxdy+p(x)y=0ydy=−p(x)dx∫ydy=∫−p(x)⋅dx+lnCy=Ce−∫p(x)⋅dx
例题
- dxdy=2xy
∴dxdy=2xydxdy−2xy=0p(x)=−2xy=Ce−∫−2x⋅dx=Cex2
- xy′−2y=0
∴∴xy′−2y=0y′−x2y=0p(x)=−x2y=Ce−∫−x2⋅dxy=Ce2lnx=Cx2
- dxdy−xy=0,求满足 y(0)=π 的特解
∴∴∵∴∴dxdy−xy=0p(x)=−xy=Ce−∫−x⋅dx=Ce21x2y(0)=ππ=C特解为y=πe21x2
一阶非齐次线性微分方程
定义
- 形如 dxdy+p(x)y=Q(x)
解法:常数变易法
∴∴∴∴对于dxdy+p(x)=0,通解为y=Ce−∫p(x)⋅dx对于dxdy+p(x)=Q(x),通解为y=C(x)e−∫p(x)⋅dxy′=C′(x)e−∫p(x)⋅dx−C(x)p(x)e−∫p(x)⋅dxC′(x)e−∫p(x)⋅dx−C(x)p(x)e−∫p(x)⋅dx+p(x)C(x)e−∫p(x)⋅dx=Q(x)C′(x)=Q(x)e∫p(x)⋅dxC(x)=∫Q(x)e∫p(x)⋅dx⋅dx+C
y=[∫Q(x)e∫p(x)⋅dx⋅dx+C]e−∫p(x)⋅dx
例题
- dxdy=2xy−1
∴∴dxdy−2x1y=−1p(x)=−x2,Q(x)=−1y=[∫−1e∫−x2⋅dx⋅dx+C]e−∫−x2⋅dx=[x−1+C]x2=Cx2+x
- y′+ytanx=cosx
∴∴p(x)=tanx,Q(x)=cosxy=[∫cosxe∫tanx⋅dx⋅dx+C]e−∫tanx⋅dxy=[∫cosxe−ln(cosx)⋅dx+C]eln(cosx)y=[∫1⋅dx+C]cosxy=xcosx+Ccosx