当前课程知识点:微积分(先修课) > 第四章 微分中值定理和导数的应用 > 4.10 原函数与微分方程初步 > 4.10.2 原函数与微分方程初步(2)
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们讲
第四章
微分中值定理和导数的应用
第十节
原函数与微分方程初步
我们知道
函数关系是客观事物的
内部联系在数量方面的反应
利用函数关系可以研究
客观事物的变化规律
因此如何寻找函数关系
就具有重要的意义
在大量的实际问题中
反映变量与变量之间的函数关系
往往不能直接建立
但在一定条件下
我们却能够得到
变量与他们的变化率之间的关系
当变量连续变化时
变化率就是导数
这种含有未知函数的导数
或微分的方程
就是微分方程
本讲将介绍
微分方程的基本概念
和一类简单微分方程的求解方法
我们首先介绍
微分方程的有关概念
为了说明我们微分方程
要处理的基本问题
和微分方程牵扯到的
一些基本概念
我们先看几道例题
第一道例题
我们假设曲线y等y(x)
在每一点(x,y)处的切线斜率
就等于两倍的x
而且假设这条曲线
是经过(1,2)点
我们求这条曲线的方程
这个问题我们在不定积分部分
曾经做过介绍
我们来看这道题的具体解答
我们根据导数的几何意义
我们就知道y'(x)
是等于两倍x的
而且当x等1时
y的值是等于2的
也就是我们要根据这两个条件
来将y(x)的表达式求出来
我们由y'等于两倍x
我们就知道y就等于x平方加上C
其中C是任意常数
因为x等1时
y是等于2的
所以我们就会求得C是等于1的
这样我们就得到了
曲线的方程就是
y等于x的平方加上1
在这道例题中
我们就碰到了未知函数的导数
等于两倍x这个等式
这实际上就是一个
简单的微分方程
下面我们看第二道例题
与第一道例题类似
我们确定一条
过点(0,2)而且曲线上任意一点
(x,y)处的切线与坐标原点
到这个点的连线是垂直的
这样的曲线
我们根据导数的几何意义
那么曲线y等y(x)
在点(x,y)处的切线斜率
就是y关于x的导数
坐标原点到点(x,y)处的
连线的斜率
就是y比上x
两条直线垂直
说明这两条直线的
斜率是互为负倒数
所以我们就得到了
y关于x的导数就等于
负的x除上y
我们将这个等式变形
就会变作y乘上dy
等于-x乘上dx
在这个等式两端
我们做积分就会得到
1/2倍的y的平方等于
-1/2倍的x的平方
再加上常数C
我们整理之后就可以记作
是x的平方加上y的平方等于C
C是任意常数
因为这条曲线他是
过(0,2)这一点的
所以我们就能得到
C是等于4的
这样我们就得到了
我们要求的曲线方程是
x方加上y方等于4
这是一个圆心在原点
半径为2的圆周的方程
下面我们来看第三道例题
我们假设某人
以本金A0进行一项投资
投资的年利率是r
如果我们以连续复利计算
我们来求t年末
这个人的本金与利息之和是多少
我们假设在t时刻
这个人的本金与利息之和
用A(t)来表示
那么在t时刻这个人
他总的资金的变化率
也就是A(t)关于时间t的导数
也就等于在t时刻
这个人的资金总额获取的利息
这个利息是利率乘上资金数A(t)
所以我们就得到了
一个等式A关于t的导数
等于r乘上A
我们将这个等式进行变形
就会得到dA除上A
等于r乘上dt
我们对这个等式两端做积分
就会得到A的自然对数
应该等于r乘上t再加上一个常数C
我们整理之后就可以将
A(t)表示成常数C乘上e的r乘t次方
其中C是任意常数
因为在t等于0时
这个人的本金就是A0
所以我们就会得到
常数C就等于A0
所以在第t年末
这个人的本金与利息之和
就等于A0乘上e的r乘t次方
下面我们看第四个例题
我们假设
某列车以每秒30米的速度在行驶
从某个时刻开始
列车以0.4每秒方米的
制动加速度开始制动
我们求这列火车它的制动距离
我们假设
在制动过程中列车的运动距离
与时间的关系
也就是它的运动方程为S等S(t)
制动开始的时刻我们记作是0时刻
那么我们知道
距离关于时间的导数是速度
那么距离关于时间的二阶导数
应该就是加速度
所以根据题意
我们就得到
x的两阶导就等于-0.4
负号表示制动加速度
与列车的运动方向是相反的
在开始制动的时刻
也就是在0时刻它的制动距离是0
也就是S(0)是等于0
在开始制动的时候
它的速度应该就是每秒30米
这样我们就得到了
S是等于负的0.2倍的t的平方
加上C1乘上t再加上C2
我们利用S(0)等于0
以及S'(0)等于30
我们就会得到C2等0
C1是等于30的
所以我们就将制动距离
与制动时间之间的关系得到了
这个关系就是S等于
-0.2倍的t的平方加上30倍的t
我们为了求出制动时间
我们就求S的导数
并令S的导数
也就是速度等于0
就会得到t等75
这说明我们的制动时间是75秒
所以我们的制动距离
就是S在t等于75时的值
也就等于1125米
上面我们讨论了四道简单的例题
在这四道题中
我们都碰到了类似的问题
也就是我们知道要求的未知函数的
一阶导或者是
二阶导满足的一个等式
在给定的条件下
我们来求这个函数的表达式
这实际就是我们微分方程
要处理的基本问题
下面我们给出微分方程的概念
定义10
含有自变量 未知函数
以及未知函数的导数的方程
我们就称作是微分方程
在微分方程中
出现的未知函数的
最高阶导数的阶数就称作是
微分方程的阶
当未知函数是一元函数时
这样的微分方程
我们一般称作是常微分方程
也就简称为微分方程
在我们微积分中
我们处理的都是常微分方程问题
如果我们自变量用x表示
未知函数用y等y(x)表示
那么一般的
我们就将n阶微分方程
用下面的一个等式来表示
也就是x y y的一阶导
一直到n阶导
它的一个表达式等于0
在前面我们介绍的几道例题中
我们得到的几个方程
像y'等于两倍x
dy/dx等于-x/y
或者是dA比上dt等于r倍的A(t)
这三个方程都是一阶微分方程
而我们在第四道例题中得到的
S''(t)等于-0.4
就是一个简单的二阶微分方程
下面我们来介绍微分方程解的概念
定义11
如果函数f(x)在I上存在n阶导数
而且满足下面这个方程
也就是F
x f(x)一直到f的
n阶导x他是等于0的
对于x属于I都是成立的
那我们就说函数f(x)
是n阶微分方程F
x y y的一阶导
一直到y的n阶导
等于0在I上的一个解
与我们在中学学的代数方程类似
微分方程的解也就是说
我们知道某个函数
将他代入这个微分方程
这个等式是成立的
我们求解微分方程的过程
实际上就是要
将求导运算符号去掉的过程
所以说对一阶微分方程来说
我们做一次积分
就可以去掉求导运算符号
这时候就会出现一个积分常数
对二阶微分方程来说
我们要做两次积分
才可能把求导符号去掉
所以这时候会出现两个积分常数
一般的n阶微分方程的含有
n个相互独立的任意常数的解
就称作是它的通解
与通解对应
那么不含有任意常数的解
就称作是微分方程的特解
为了用通解来得到特解
我们要加上一些条件
来确定通解中的常数
那么用来确定
微分方程通解中
任意常数的条件
我们就称作是
微分方程的定解条件
我们加定解条件时
一般就是在某一个点对函数值
或者是导数值
甚至是高阶导数值加条件
这样的条件我们
一般也称作是初值条件
比如说y等于x的平方加C
就是微分方程
y'等于2倍x的通解
而y等于x的平方加一
就是这同一个方程满足定解条件
y(1)等于2的特解
再比如说
A(t)等于C乘上e的r乘t次方
就是微分方程dA比上dt
等于r乘上A的通解
而A(t)等于A0乘上e的r乘t次方
就是这一个微分方程
满足定解条件A(t)在t等于0时
它的值等于A0的特解
下面我们来介绍一下
什么叫初值问题
简单的说就是求微分方程
满足初值条件的问题
我们就称为是初值问题
比如说dA/dt等于r乘上A(t)
A(0)等于A0
这个微分方程跟这个初值问题
合到一起就是一个简单的
一阶微分方程的初值问题
类似的dy/dx等于-x/y
再加上x等0时
y等2这个定解条件
这也是一个
一阶微分方程的初值问题
再比如说
S的两阶导等于-0.4
S(0)等于0
S'(0)等于30
这个二阶微分方程
跟这两个定解条件合到一起
构成的就是一个
二阶微分方程的初值问题
一般的对n阶微分方程来说
因为他的通解中
含有n个相互独立的任意常数
所以我们加的初值条件一般的是说
给定他在某一点S(0)处的函数值
一阶导数值一直到n减1阶导数值
这样就相对于n个任意常数
给出了n个定解条件
下面我们看两道例题
例5
我们验证函数y等于x的平方
y等于C乘上x平方
是否是微分方程x乘上y'
减掉两倍的y等于0的解
我们问如果是解时
是通解还是特解
实际上这道例题
也就是问大家
了解不了解什么叫方程的解
什么叫通解
什么叫特解
具体的解答过程是
我们将y等于x的平方
以及y'等于两倍x
代入这个微分方程
我们就会发现
他使得这个微分方程是成立的
所以y等于x的平方
是这个微分方程的解
而且是这个微分方程的一个特解
同样的我们将y等于C乘上x的平方
以及它的导数
y'等于两倍的Cx
代入这个微分方程
我们知道这个方程也是成立的
这就说明y等于C乘x平方
是这个方程的解
因为这个解中含有一个任意常数
所以说他应该就是
这个一阶微分方程的通解
我们看例6
我们验证下面这个函数
也就是y等于C1乘上coskx
加上C2乘上sinkx是微分方程
y''加上k方乘上y等于0的通解
首先因为这个表达式中
有两个相互独立的
任意常数C1 C2
所以说我们只要验证
这个函数满足这个微分方程
就能说清楚他就是这个方程的通解
具体的解答过程
我们从y它的表达式出发
就得到它的一阶导数
我们再求导就会得到y的二阶导数
我们发现y的二阶导数
就等于负的k方乘上y
也就是说y就满足
y''加上k方乘上y等于0
这就说明了我们这个函数
就是这个二阶微分方程的通解
我们介绍了
微分方程的基本概念之后
关于微分方程我们主要关心的
有两个问题
一个问题就是微分方程的解
是否存在的问题
这个问题从理论上来讲是比较难的
在微积分课程中
我们一般不讨论解的存在性问题
另外一个问题
就是对于简单的微分方程
我们能不能求出它的解
关于具体微分方程的求解问题
在后面的微分方程一章中
我们会做更进一步的介绍
在这儿
我们只介绍一种特殊的简单的
微分方程的求解方法
这就是可分离变量的微分方程
什么叫可分离变量的微分方程
我们就将g(y)乘上dy
等于f(x)乘上dx这样的微分方程
就称作是可分离变量的微分方程
也就是说在这个一阶微分方程中
与自变量x有关的
以及与应变量y有关的量
能够分别写在等号的两端
对于这样的微分方程
我们的求解方法就是
对这个方程两边
我们直接求不定积分
我们假设G(y)和F(x)
分别是被积函数
g(y)和f(x)的原函数
那么我们就得到了
这个变量和分离方程的通解
就是G(y)等于F(x)
加上任意常数C
这就是我们变量可分离方程
它的一般的求解方法
这样变量可分离方程的求解问题
就直接转化成了简单的
不定积分运算问题
下面我们来看几道具体的
变量可分离方程的求解过程
例7
我们求下面这个微分方程的通解
对于这个方程我们知道
他是一个变量可分离方程
我们分离变量
也就是将与y有关的
和与x有关的量
分写到等号的两端
就会得到1加y方分之一乘上dy
等于两倍的括号里面
x减1再乘上dx
在这个等式的两端
我们做不定积分
就会得到arctany等于
x减1的平方加上常数C
这实际上就是我们要求的
微分方程的通解
这是他通解的隐式形式
我们也可以写成是y等于tan
x减1的平方加上C
这就是他通解的显式形式
第8道例题
我们求微分方程
dy/dx等于两倍xy的通解
这个方程也是一个
变量可分离的方程
我们知道y恒等于0这个函数
是满足这个方程的
所以说y恒等于0
是这个方程的一个特解
在y不等于0时
我们分离变量就会得到
dy比上y等于2倍x乘上dx
在这个等式两端我们做积分
就会得到y的绝对值的自然对数
等于x的平方加上C1
我们将对数符号去掉
就会得到y的绝对值就等于
e的C1次方乘上e的x平方次方
在这儿也就得到了
y等于正负e的C1次方
乘上e的x平方次方
其中e的C1次方
是一个非0的任意常数
我们将它记作C
考虑到y恒等于0也是方程的解
所以我们最后就会得到
方程的通解是
y等于C乘上e的x平方次方
其中C是任意常数
下面我们看第9道例题
我们假设曲线L位于第一象限
如果曲线上任意一点的切线
位于两个坐标轴之间的部分
都是被切点平分的
我们求这条曲线L的方程
我们假设曲线L的方程
就是y等y(x)
(x,y)是曲线上的任意一点
(X,Y)我们用它来表示
曲线L在(x,y)
这点切线上的任意一点
我们知道这条切线的斜率
就应该是dy/dx
由于(x,y)和(X,Y)
是切线上的两点
所以说切线的斜率还可以表示成
这两点的纵坐标的差比上
这两点的横坐标差
我们就得到了dy/dx等于
Y减y再比上X减x
因为切线位于
两坐标轴中间的部分
都是被切点平分的
所以在Y等于0时
我们知道切线
与x轴交点的横坐标
正好就等于切点(x,y)处的
横坐标的两倍
也就是Y等于0时
X是等于2x的
这样我们就得到了
dy/dx等于负的y比上x
这是一个变量可分离方程
我们分离变量就会得到
dy比上y等于负的dx比上x
我们两边做积分就会得到
lny等于-lnx再加上lnC
C是大于0的常数
在这儿因为曲线位于第一象限
所以x y都是大于0的
所以我们直接取自然对数
而为了形式上表示简单
我们把任意常数表示成了lnC
进一步利用对数的运算性质
我们就得到了
我们要求的曲线方程就是
x乘y等于常数C
C是大于0的
这说明我们要求的曲线
实际就是我们熟悉的双曲线
下面我们看最后一道例题
我们假设运动物体
受到的阻力大小
与他的速度大小是成正比的
比例常数我们记作k
我们假设在t等0时刻
他的速度是v0
我们再假设这个物体的质量是m
我们求此物体的
速度与时间的关系
我们假设这个物体
在t时刻的速度就是v(t)
我们知道物体所受的外力
应该等于他的质量
乘上他的加速度
这是我们中学物理中
学习过的牛顿第二定律
在这儿也就是
他的质量m乘上
他的速度关于时间的导数
应该就等于k乘上他的速度
在这儿我们的负号表示
他受到的阻力
与它的运动方向是相反的
这就是速度满足的一个
简单的变量可分离的
一阶微分方程
我们变量分离得
dv比上v就等于负的
m分之k乘上dt
两边积分我们就会得到
v的自然对数就等于
负的k/m乘上t再加上C
我们将对数符号去掉
就会得到v与t的关系式
因为在t等于0时
v是等于v0的
所以我们知道
e的C次方就等于v0
所以最后我们求的
这个物体它的
运动速度与时间的关系是
v等于v0乘上
e的负的k/m再乘上t次方
在这一讲中
我们介绍了微分方程的基本概念
了解了微分方程
微分方程的阶
以及微分方程的解
通解
特解
初值条件和初值问题的含义
介绍了变量可分离微分方程的概念
和求解方法
微分方程的理论和方法
是反映客观规律和
解决实际问题的重要工具
是微积分学的重要应用
在后面的章节中
我们对微分方程的内容
还会做进一步的讨论
从下一讲开始
我们将介绍定积分的有关内容
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试