常微分方程教材

第九章微分方程一、教学目标及基本要求（1）了解微分方程及其解、通解、初始条件和特解的概念。（2）掌握变量可分离的方程和一阶线性方程的解法，会解齐次方程。（3）会用降阶法解下列方程：),(),,(),()(yyfyyxfyxfyn。（4）理解二阶线性微分方程解的性质以及解的结构定理。（5）掌握二阶常系数齐次线性微分方程的解法，并会解某些高于二阶的常系数齐次线性微分方程。（6）会求自由项多项式、指数函数、正弦函数、余弦函数，以及它们的和与二阶常系数非齐次线性微分方程的特解和通解。（7）会用微分方程解决一些简单的应用问题。二、本章教学内容的重点和难点1、理解和熟悉微分方程的一些基本概念；2、掌握一阶和高阶微分方程的各种初等积分法；3、熟悉线性方程的基础理论，掌握常系数二阶线性齐次与非齐次方程的解法；4、会列微分方程及其始值问题去解决实际问题。三、本章教学内容的深化和拓宽：1、分离变量法的理论根据；2、常用的变量代换；3、怎样列微分方程解应用题；4、黎卡提方程；5、全微分方程的推广；6、二阶齐次方程；7、高阶微分方程的补充；8、求线性齐次方程的另一个线性无关的解；9、求线性非齐次方程的一个特解；10、常数变易法。本章的思考题和习题解下列方程（第1-6题）1、2)0(,)1(yxyyx2、fdxxfeexfxxx,)(02可微3、21222sin22sin1Xeyxyyx4、0)3(24xydxdyxy5、21)0(,1)0(,022yyyxy6、2yyyxy7、已知可微函数)(xf满足xxffxfxxfdxxf12)()1(,1)()()(和求；8、已知)(,,1)(21)(10xffxfdaaxf求可微；9、求与曲线族Cyx2232相交成45角的曲线；10、一容器的容积为100L，盛满盐水，含10kg的盐，现以每分钟3L的速度向容器内注入淡水冲淡盐水，又以同样的速度将盐水抽入原先盛满淡水的同样大小的另一容器内，多余的水便从容器内流出，问经过多少时间，两容器内的含盐量相等？§9.1微分方程的基本概念一、内容要点：先从实例引入建立几个微分方程的模型，引入微分方程的一系列概念；常微分方程：常微分方程的阶数、解、通解、全部解、特解、积分曲线族的定义；二、教学要求和注意点了解微分方程与微分方程的阶、解、通解、初始条件和特解以及积分曲线说明1：一个微分方程加上初始条件和初值问题的解是对某实际问题两种等价的描述形式。前者强调的是运动的过程，是系统的机理；后者强调的则是运动的结果，是系统的输出。说明2：可分离变量的微分方程虽然简单，但它是求解各种微分方程的基础，要求学生必须熟练掌握。定义1：称含有导数或微分的方程为微分方程，并称方程种最高阶导数的阶数为方程的阶数。如：12xyyy二阶方程；02xyy一阶方程；xy三阶方程，等等讲方程，都是为了解方程，前两个方程不好解，第三个方程好解。解之，xy，方程两边三次积分，得方程的解3221421241CxCxCxy（321,,CCC为任意常数）。当4241xy时，也满足方程。可见3221421241CxCxCxy包括了所有的解的形式。则称它为通解。定义2：称满足微分方程的函数为方程的解。若方程的解种含有相互独立的任意常数，常数的个数恰好等于方程的阶数，则称此解为方程的通解；称不含任意常数的解为方程的特解。注1:通解与特解只是方程的两类解，一阶方程的解要么是通解，要么是特解注2：一阶方程的几种形式：一般形式：0),,(yyxF，从这个方程种有可能解出y，也有可能解不出来；一阶显式方程：),(yxfy；对称形式：),(),(yxQyxPdxdy或0QdyPdx注3：在一阶方程种，x和y的关系是等价的.因此，有时可将x看成函数，y看做变量。§9.2可分离变量的微分方程一、内容要点：可分离变量的方程及其他可化为变量可分离的方程的定义及解法。本单元的讲课提纲：然后再讲具体的类型与解法—可分离变量的方程与分离变量法。重点是微分方程的阶、通解与特解等概念，分离变量法。难点是利用微分方程建立数学模型关键是判别可分离变量方程的方法，以及具体积分方法。二、教学要求和注意点掌握可分离变量微分方程的解法注意问题：dxx)(通常只表示一个原函数，积分常数C有时写成CCln,ln定义1：称能改写为形式：dxxgdyyf)()(的一阶方程为可分离变量方程。注：不是所有的方程都能这样，故可分离变量方程为一阶线性方程的特殊情况。定理1：若)()(yfyF，)()(xgxG，则dxxgdyyf)()(的通解为CxGyF)()(证：（1）先证CxGyF)()(是方程的解。两边对x求导，得)()(xgdxdyyf，即dxxgdyyf)()(故CxGyF)()(是方程的解（2）设)(xy是方程的任一解，则dxxgdxxxf)()()]([两边关于x积分，得dxxgdxxxf)()()]([又)(xF是)(xf的一个原函数，)(xG是)(xg的一个原函数则CxGxF)()]([，即)(xy在CxGyF)()(中所以，CxGyF)()(为dxxgdyyf)()(的通解。注1:可分离变量方程的解法：先分离变量，再两边积分，即得通解。注2：用来确定通解中的任意常数的条件，称为方程的初始条件。【例1】求0sincoscossinydyxydxx的通解，并求满足初始条件4)0(y的特解。解：方程可变为dyyydxxxcossincossin，两边积分，得Cyxlncoslncosln即xCycoscos为方程的通解。又4)0(y，代入，得0cos4cosC22C即满足初始条件的特解为xycos22cos【例2】求yxey的通解。解：由yxyxeeey，分离变量，得dxeedyxy，两边积分，得ceexy，即为方程的隐式通解。二、可化为齐次方程的方程经kYyhXx变换将行如111cybxacbyaxdxdy方程化为齐次方程。【例3】求11yxyxdxdy的通解。解：令kYyhXx，则)1()1(khYXkhYXdXdY令0101khkh10kh即1YyXx方程变为：YXYXdXdY，令XYu代入，得XdXduuuu2211，积分，得2221CXuu，由XYu代回，得通解为：221121Cxxyxy（其中C为任意常数）§9.3齐次方程内容要点：齐次方程的定义及求解公式，可化为齐次方程的定义以及解法本单元的讲课提纲齐次方程的判别和解法不算困难，难在寻找相应的变量代换的问题，变量代换法比较灵活，可多举一些各类型的例题，让学生多见识一些变量代换，以便学生活跃思路，积累经验。重点是齐次方程与变量代换法，难点是寻找变量代换。作业：同步训练习题一、齐次方程定义1：称能改写成形式：xyfdxdy的微分方程为一阶齐次方程。我们下面来看看齐次方程解的情形：令xyu，即uxy，代入方程，得)(ufdxduxu，分离变量，得xdxufudu)(两边积分，解出u，再将xyu回代，即得通解。【例1】求0)(22xdydxyxy的通解。解：原方程可化为21xyxydxdy，令xyu，即uxy，代入方程，得21uudxduxu，化简xdxudu21积分，得xcuu21，将xyu回代，得通解为cyxy22二、可化为齐次方程的方程经kYyhXx变换将行如111cybxacbyaxdxdy方程化为齐次方程。【例4】求11yxyxdxdy的通解。解：令kYyhXx，则)1()1(khYXkhYXdXdY令0101khkh10kh即1YyXx方程变为：YXYXdXdY，令XYu代入，得XdXduuuu2211，积分，得2221CXuu，由XYu代回，得通解为：221121Cxxyxy（其中C为任意常数）§9.4一阶线性微分方程一、内容要点：一阶线性微分方程的形式及求解公式，伯努利方程的形式及解法本单元的讲课提纲（1）讲线性非齐次的一阶方程的解法时，要交待变易常数的想法并加强练习，这对今后讲二阶线性方程和线性方程组的常数变易法是有益的。（2）导出线性非齐次一阶方程的求通解公式以后，可顺利导出满足条件00)(yxy的特解公式，还应指出两点：第一，当CxQxP),(),(时，线性方程的解总可通过两次积分求得，第二，揭示通解结构。重点是解线性非齐次方程的公式法与常数变易法。难点是伯努利方程。关键是套求解公式或常数变易法及凑微分或令ny1z解伯努利方程。二、教学要求和注意点1、知道解一阶线性微分方程的常数变易法，并掌握一阶非齐次线性方程的通解公式。2、知道一阶非齐次线性方程的通解为对应的齐次方程的通解和非齐次方程的一个特解之和3、齐次方程与线性齐次方程的作用一、一阶线性微分方程定义1：称可转化为形式：)()(xQyxPdxdy(1)的方程为一阶线性方程；若0)(xQ，则（1）式称为一阶线性齐次方程；0)(xQ，（1）式称为一阶线性非齐次方程。下面我们来看看方程（1）的解的情形：先看齐次方程：0)(yxPdxdy（2）显然是可分离变量方程。得dxxPydy)(，两边积分，得dxxPcey)(（3）为一阶线性齐次方程（2）的通解。下面我们求（1）的解，由方程（1）和（2）形式的相似性，那它们的解也具有某种相似性。我们用一种常数变易法来求（1）的解：假设dxxPexcy)()(为非齐次方程(1)的解，代入方程，得dxxPexc)()(dxxPexcxP)()()()()()()(xQexcxPdxxP则)()()(xQexcdxxP，)()()(xQexcdxxP积分，得CdxexQxcdxxP)()()(则dxxPdxxPeCdxexQy)()()(（4）即为方程（1）的通解。【例1】求xytgxysec的通解。解：由于xytgxysec为一阶线性非齐次方程，且xxQtgxxPsec)(,)(，代入（4），得其通解为tgxdxtgxdxeCdxxeysec＝xCxsec)([例2]求22yxydxdy的通解。解：若将y看成函数，x作为变量，此方程不是一阶线性方程。故将x看成函数，y作为变量，则原方程化为：yyxdydx22进一步化简，yxydydx2，为一阶线性方程，yyQyyP)(,2)(代入（4），得方程的通解为)ln(yCyx。二、贝努力方程―可化为一阶线性方程的方程定义2：称形如：nyxQyxPdxdy)()(的方程为一阶贝努力方程。下面我们看看贝努力方程的解的情形：将方程变形为)()(1xQyxPdxdyynn，令nyz1，则方程化为)()1()()1(xQnzxPndxdz，为一阶线性方程，故可用上述方法求解，最后将nyz1代回，即得通解。【例3】求0ln2xyyyx的通解。解：将方程变形，得xxyxyyln112，为贝努力方程。令1yz，代入xxzxdxdzln1，利用（4），得Cxxz1ln，又1yz，所以1ln1cxxy为原方程的通解。§9.5全微分方程一、内容要点：全微分方程的定义及其条件，解的表达式常见的积分因子。本单元的讲课提纲1、全微分方