线性方程与常数变易法ppt

内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作第二节线性方程与常数变易法一阶线性微分方程：0)()()(xcyxbdxdyxa0)(xa在的区间上可以写成)19.2()()(xQyxPdxdyyxPdxdy)(,0)(xQ若(2.19)变为齐次方程这类方程是分离变量方程，通解已经解决。若，（2.19）变为一阶非齐次线性方程。那么,如何求解这类方程？0)(xQ内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作yxPdxdy)(()()dyPxyQxdx解？()Pxdxyce解？内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作所以，主要讨论非齐次线性方程(2.19)通解的求法。通过分析，不难看出，(2.3)是(2.19)的特殊情形，两者既有联系又有差别。因此，可以设想它们的解之间也应该有某种联系而又有区别。于是，试图从方程(2.3)的通解(2.4)的形式去求出方程(2.19)的通解。显然，如果(2.4)中C恒保持为常数，它必不可能是(2.19)的通解。故，可以假想，在(2.4)中，将常数C看成x的待定函数C(x)，使它满足方程(2.19)，从而求出C(x)。于是，令)20.2()()(dxxPexcy内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作dxxPdxxPexPxcedxxdcdxdy)()()()()(两边微分得到：)()()()()()()()()(xQexcxPexPxcedxxdcdxxPdxxPdxxPdxxPexQdxxdc)()()(即整理：内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作积分得到：cexQxcdxxP~)()()(()()(())PxdxPxdxyeQxedxc原方程的通解：注意：1、常数变易法的本质实际上是一种变量变换方法，通过变换（2.20）将原方程变为可分离变量方程。2、常数变易方法的特点强调求解过程。内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作例7求方程的通解，这里为常数。1(1)(1)xndyxnyexdxn步骤：改写原方程为规范的一阶非齐次线性方程；求对应齐次方程的通解；应用常数变易法求原方程的通解为：(1)()nxyxec其中为任意常数。c内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作例2求方程的通解。22dyydxxy•问题：原方程不是未知函数的线性方程，于是设法改写原方程为非齐次线性方程。•步骤：改写原方程为规范的一阶非齐次线性方程；求对应齐次方程的通解；应用常数变易法求原方程的通解。•方法：利用自变量与因变量的对应关系。内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作一类特殊方程的求解：伯努利（Bernoulli）方程？形如()()ndyPxyQxydx的方程。称为伯努利（Bernoulli）方程。这里为x的连续函数，是常数。(),()PxQx0,1n求解方法：利用变量变换可将伯努利方程化为线性方程。1nzy变换：(1)()(1)()dznPxznQxdx原方程变为：一阶非齐次线性方程注意：在时，还有解0n0y内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作例5黎卡堤（Riccati）方程2'()()()(2.29)ypxyqxyfx其中是在区间内的已知连续函数。(),()()pxqxfx和)b,a(分析：方程（2.29）看起来很简单，但是早在1841年法国数学家刘维尔（Liouville）就已经证明了这个方程，在一般情况下，它的解是不能用初等函数的有限次积分以及有限次代数运算而得到。但是，在特殊情况下，可以求出黎卡堤方程的解来，即在知道黎卡堤方程的一个或几个特解的情况下，就可以求出黎卡堤方程的解来。注：在这里“观察法”起到了很大的作用。设是黎卡堤方程（2.29）的一个已知解，则有)x(yy12111()()()(2.30)ypxyqxyfx若令：，其中是新的未知函数，将它代入方程（2.29），并注意到恒等式（2.30），立刻得到关于的伯努利方程:1yyuuu21'[2()()]()(2.31)upxyqxupxu再令，则方程（2.31）化为关于的线性方程:1vu'vv和1'[2()()]()(2.32)vpxyqxvpx因此，如果知道黎卡堤方程的一个特解，那么它的通解通过两次求积得到。实际上，只要作代换11(2.33)yyv可将黎卡堤方程（2.29）化为关于v的线性方程（2.32），于是利用常数变易法找出线性方程（2.32）的通解，然后利用代换（2.33）便得到黎卡堤方程（2.29）的通解。内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作例6求方程的通解2(21)'(41)40xxyyxyx解：分析：原方程是黎卡堤方程，于是就要用观察法找出一个特解来，并得到是该方程的一个特解。1y求解过程：1、作变换11yu2、代入原方程，则原方程化为线性方程：411'(21)(21)xuuxxxx由一阶非齐次线性方程的求解方法不难得到线性方程的通解为：()(21)xcuxxx故原方程的通解为：2(21)21xxxcyxcxc内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作到目前为止，所介绍的可分离变量方程、齐次方程和线性方程都是利用初等积分求解的规范方程。在实际问题中出现的微分方程是多种多样的，如果能够找到适当地变量代换，把有关的微分方程化为上述规范方程之一，那么原来的微分方程的通解也就容易求出来了，这是初等积分法中最常用的方法。当然如何确定变量代换，是比较困难，且无通法可循。一般而言，主要根据每一个方程的特点去寻找，这就要靠在实践中多总结经验，才能够逐步达到熟能生巧的地步。内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作同时，通过黎卡堤方程的求解，还可以看出，初等积分法的局限性，即并非所有一阶方程都能使用这个方法求解。所以，在以后的讨论中，以二元函数的全微分为基础来介绍一阶微分方程的另一种求解方法：积分因子方法。内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作补充例题证明题:一阶非齐次线性方程（1）的任意两解之差必为相应的齐次线性方程（2）的解。)1()()(xQyxPdxdy)2()(yxPdxdy作业：P481（1，2，4，5，7，16），2，7（1）5（思考题）内江师范学院数学与信息科学学院吴开腾制作Lorenz方程的图像