常微分方程第三版课件1.1

常微分方程课程简介常微分方程是研究自然科学和社会科学中的事物、物体和现象运动、演化和变化规律的最为基本的数学理论和方法。物理、化学、生物、工程、航空航天、医学、经济和金融领域中的许多原理和规律都可以描述成适当的常微分方程，如牛顿运动定律、万有引力定律、机械能守恒定律，能量守恒定律、人口发展规律、生态种群竞争、疾病传染、遗传基因变异、股票的涨伏趋势、利率的浮动、市场均衡价格的变化等，对这些规律的描述、认识和分析就归结为对相应的常微分方程描述的数学模型的研究。因此，常微分方程的理论和方法不仅广泛应用于自然科学，而且越来越多的应用于社会科学的各个领域。常微分方程学习《常微分方程》的目的是用微积分的思想，结合线性代数，解析几何等的知识，来解决数学理论本身和其它学科中出现的若干最重要也是最基本的微分方程问题，使学生学会和掌握常微分方程的基础理论和方法，为学习其它数学理论，如数理方程、微分几何、泛函分析等后续课程打下基础；同时，通过这门课本身的学习和训练，使学生学习数学建模的一些基本方法，初步了解当今自然科学和社会科学中的一些非线性问题，为他们将来从事相关领域的科学研究工作培养兴趣，做好准备。教材及参考资料教材：常微分方程，(第二版）（97年国家教委一等奖），王高雄等编（中山大学),高教出版社。参考书目：常微分方程,东北师大数学系编，高教出版社常微分方程讲义，王柔怀、伍卓群编，高教出版社。常微分方程及其应用，周义仓等编，科学出版社。常微分方程稳定性理论，许松庆编上海科技出版社。常微分方程定性理论，张芷芬等编，科学出版社。第一章绪论常微分方程是现代数学的一个重要分支,是人们解决各种实际问题的有效工具,它在几何,力学,物理,电子技术,自动控制,航天,生命科学,经济等领域都有着广泛的应用,本章将通过几个具体例子,粗略地介绍常微分方程的应用,并讲述一些最基本概念.§1.1微分方程模型微分方程:联系着自变量,未知函数及其导数的关系式.为了定量地研究一些实际问题的变化规律,往往是要对所研究的问题进行适当的简化和假设,建立数学模型,当问题涉及变量的变化率时,该模型就是微分方程,下面通过几个典型的例子来说明建立微分方程模型的过程.例1镭的衰变规律:.,,0,0时该时镭元素的量任意试确定在克镭元素的量为时且已知该现有的量成正比设镭的衰变规律与该时tRt解:),(tRt时该时镭元素的量为设,)()(dttdRtR对时间的变化律是由于镭元素的衰变律就:衰变律可得依题目中给出镭元素的,kRdtdR0)0(RR.)(,0随时间的增加而减少是由于这里tRk:解之得kteRtR0)(即镭元素的存量是指数规律衰减的.将某物体放置于空气中,在时刻0t时,测得它的温度为,1500Cu10分钟后测量得温度为试决定此物.1001Cu体的温度和时间的关系.ut例2物理冷却过程的数学模型Newton冷却定律:1.热量总是从温度高的物体向温度低的物体传导;2.在一定的温度范围内,一个物体的温度变化速度与这一物体的温度与其所在的介质的温度之差成正比.设物体在时刻的温度为根据导数的物理意义,则温度的变化速度为由Newton冷却定律,得到t).(tu.dtdu),(auukdtdu其中为比例系数.此数学关系式就是物体冷却过程的数学模型.0k注意:此式子并不是直接给出和之间的函数关系,而只是给出了未知函数的导数与未知函数之间的关系式.如何由此式子求得与之间的关系式,以后再介绍.utut解:例3R-L-C电路如图所示的R-L-C电路.它包含电感L,电阻R,电容C及电源e(t).设L,R,C均为常数,e(t)是时间t的已知函数.试求当开关K合上后,电路中电流强度I与时间t之间的关系.电路的Kirchhoff第二定律:设当开关K合上后,电路中在时刻t的电流强度为I(t),则电流经过电感L,电阻R和电容的电压降分别为其中Q为电量,于是由Kirchhoff第二定律,得到,,,CQRIdtdIL.0)(CQRIdtdILte因为于是得到,dtdQI.)(122dttdeLLCIdtdILRdtId这就是电流强度I与时间t所满足的数学关系式.解:在闭合回路中,所有支路上的电压的代数和为零.例4传染病模型:长期以来,建立传染病的数学模型来描述传染病的传播过程,一直是各国有关专家和官员关注的课题.人们不能去做传染病传播的试验以获取数据,所以通常主要是依据机理分析的方法建立模型.:,,假设条件为时间以天为计量单位不变考察地区的总人数假设在疾病传播期内所N(1)()()()().tstit在时刻人群中易感染者健康和已感染者病人在总人数中所占比例分别为和.,)2(称日接触率的平均人数是每个病人每天有效接触解:根据题设,每个病人每天可使.)(个健康者变为病人ts由于病人总人数为),(tNi所以每天共有.)(个健康者被感染tNs于是病人增加率为,NsidtdiN再由初始条件得又因,1)()(tits)1(iidtdi0)0(ii思考与练习1.曲线上任一点的切线与两坐标轴所围成的三角形的面积都等于常数,求该曲线所满足的微分方程.2a:),(距分别为的切线的横截距与纵截过点yx.''xyyyyx和解:由题目条件有:2''))((21axyyyyx2.求平面上过点(1,3)且每点切线斜率为横坐标2倍的曲线所满足的微分方程.解:设所求的曲线方程为).(xfy由导数的几何意义,应有,2)('xxf即.2)(2CxCdxxxf又由条件:曲线过(1,3),即,3)1(f于是得.2C故所求的曲线方程为:.22xy习题:p16.8,9(2,4,6)