当前课程知识点:微积分(先修课) > 第八章 常微分方程 > 8.2 一阶线性微分方程 > 8.2.1 一阶线性微分方程(1)
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微积分课程
今天我们介绍第八章
常微分方程
第二节 一阶线性微分方程
一阶线性微分方程
是一类特殊而且重要的微分方程
本讲将介绍一阶线性微分方程
解的性质和解的结构
介绍一阶线性微分方程的
求解方法
首先我们介绍一下
一阶线性微分方程的有关概念
定义2我们将ax乘上y′
加上bx乘上y等于cx
就将这样的一阶微分方程
称为是一阶线性微分方程
在我们考虑的
一阶线性微分方程中
我们要求ax bx和cx
都是x的连续函数
如果我们将一阶线性微分方程
y′前面的系数变成1
这就是一阶线性微分方程的
标准形式
一般的表示成y′加上px乘上y
等于qx
在这个方程中qx
我们称作是
一阶线性微分方程的自由项
如果qx恒等于0
这样的一阶线性微分方程
就称为是一阶齐次线性微分方程
如果qx不恒为0
这样的一阶线性微分方程
就称作是
一阶非齐次线性微分方程
关于一阶线性微分方程
我们首先来讨论一下
它解的有关性质
首先给出
一阶齐次线性微分方程解的性质
也就是一阶其次线性微分方程
解的叠加原理
定理1
我们假设函数y1x y2x
是一阶其次线性微分方程
y′加上px乘上y等于0
它的两个解
αβ是两个任意的实数
那么函数α乘上y1x
加上β乘上y2x
也是这个齐次方程的解
这个定理的证明
只要用方程解的定义
和导数的线性运算性质
就可以得出
下面我们写出证明过程
我们知道y1x y2x
是齐次方程的解
所以y1′加上px乘上y1等于0
y2′加上px乘上y2也等于0
我们为了验证αy1加上βy2
也是这个方程的解
也就是要验证
αy1加上βy2的导数
加上px再乘上括号里面αy1
加上βy2是否等于0
我们利用导数的线性运算性质
我们可以将这个表达式
表示成α倍的
括号里面y1的导数
加上px乘上y1
再加上β乘上
括号里面y2的导数
加上px乘上y2
根据y1 y2满足的条件
我们就知道这个表达式
它是等于0的
这也就说明了
函数αy1加上βy2
就是齐次方程y′
加上px乘上y
等于0的解
这就是我们要证明的
一阶其次线性微分方程
解的叠加原理
关于这个结论
我们还需要做一点说明
我们将方程y′
加上px加y等于0
称为是线性微分方程
一方面这样是因为
方程中出现的未知函数
及其导数都是一次的
另一方面更是因为这类方程的解
经过加法运算和数乘运算之后
得到的函数仍然是它的解
而加法运算和数乘运算
就是我们平时所说的线性运算
下面我们来介绍
一阶非齐次线性微分方程
解的叠加原理
定理2
如果函数y1x y2x
是一阶非其次线性微分方程
y′加上px乘上y
等于qx的两个解
α β是两个任意实数
那么函数αy1加上βy2
就是下面这个线性微分方程的解
这个方程左端就是
y′加上px乘上y
自由项也就是右端
就是括号里面α加β
再乘上qx
特别的如果我们取
α等1 β等负1
它就说明y1x减去y2x
应该就是原来这个非齐次方程
对应的齐次方程
y′加上px乘上y等于0的解
这就是一阶非其次线性微分方程
解的叠加压力
关于这个定理的证明
与其次线性微分方程
解的叠加原理的证明是类似的
下面我们写出证明过程
因为y1y2是非齐次方程的解
所以y1y2都满足
这个非齐次方程
同样的我们利用
导数的线性运算性质
就可以知道
αy1加上βy2的导数
加上px乘上αy1加上βy2
最后也就写成了
α乘上括号里面y1的导数
加上px乘上y1
再加上β乘上括号里面
y2的导数
加上px乘上y2
因为y1和y2
是满足非齐次方程的
所以这个表达式
也就等于αqx加上βqx
也就等于α加β再乘上qx
这说明我们的
αy1x加上βy2x
就满足下面这个线性微分方程
也就是下面这个微分方程的解
通过证明
我们可以进一步体会到
非齐次方程解的叠加原理
它说明了非齐次方程的解
和与它对应的
齐次方程的解之间的关系
这样我们就可以利用
齐次微分方程的解
来研究非齐次微分方程的解
下面我们来介绍
一阶线性微分方程的求解方法
首先介绍
一阶齐次线性微分方程的解法
我们知道一阶其次线性微分方程
y′加上px乘上y等于0
它实际上是一个变量分离方程
我们利用变量
分离方程的求解方法
就可以求出它的通解表达式
是y等于C乘上
e的负px的原函数次方
这就是这个
齐次方程的通解表达式
在这个表达式中C是任意常数
Px dx只表示的只是
px的一个原函数
有时候我们也可以
将齐次方程的通解
表示成C乘上e的负pt
从x0到x做积分
这是它的方次
这是在讨论这个解的有关性质时
我们经常用的一种表现形式
这样表示出来
我们自然知道指数上
表示的只是px的
一个具体的原函数
我们从齐次方程通解形式
还可以看出
一阶齐心现行微分方程
它的通解实际上
就等于它的一个非零解
与任意常数的乘积
所以在求解
一阶齐次线性微分方程时
只要能够得到它的一个非零解
也就得到了它的一个通解
下面我们再来介绍
一阶非其次线性微分方程的解法
我们介绍它最常用的一种解法
也就是变动任意常数法
对于一阶非其次线性微分方程
y′加上px乘上y等于qx
我们先求解它对应的齐次方程
假设vx就是它对应的
齐次方程的一个非零解
我们令y等于cx乘上vx
是非齐次方程的一个解
在这特别要强调的是
cx是一个x的可导函数
如果我们把非齐次方程的解
假设为这种形式
我们求y的一阶导数
我们将y等于Cx乘上vx
以及y的一阶导数
等于C′x乘上vx
加上Cx乘上v′x
代入这个非齐次方程
我们就会得到C′x乘上vx
加上Cx乘上括号里面v′x
加上px乘上vx就等于qx
我们注意到
vx是对应的齐次方程的解
所以这个方程就进一步
变为是C′x乘上vx等于qx
这样我们就利用qx和vx
表示出了C′x
我们做积分就会得到
Cx就等于积分常数C1
加上qx比上vx的一个愿函数
有了Cx的表达式之后
那么我们就可以得到我们要求的
非齐次方程的通解
就是Cx再乘上vx
如果我们将vx
就取作是e的负的pxdx次方
那么我们的Cx就相应的
可以用qx和px表示出来
所以这个时候我们就会得到
这个一阶非其次线性方程
它的通解
就是y等于e的负pxdx次方
再乘上括号里面常数C
加上qx乘上e的pxdx
它的一个原函数
在这个通解表达式中
我们牵扯到的函数px qx
都是我们的非齐次方程中
已经给出的一致函数
所以这是我们在求解
一阶非其次线性方程时
经常用的一个通解表达式
需要强调的是
在这个通解表达式中
所有的积分符号
表示的都是被积函数
它的一个原函数
关于这个求解方法
以及这个通解形式
我们需要做下面两点说明
第一点说明
我们这种求解
一阶非其次线性微分方程的方法
就是将它对应的
齐次方程的通解的表达式中
常数C看作是变量Cx
因此我们这种求解方程的方法
就称为是变动任意常数法
需要说明的第二点
从非齐次方程的通解形式
也就是y等于
C乘上e的负pxdx次方
加上e的负pxdx次方
再乘上qx乘上e的pxdx次方
它的一个原函数
从这个形式我们可以看出
一阶非其次线性微分方程的通解
是等于它对应的齐次方程的通解
和非齐次方程的一个特解之和
也就是在上面这个表达式中
第一部分是
对应的齐次方程的通解
而第二部分表示的是
这个非齐次方程的一个特解
在这一讲中我们介绍了
一阶线性微分方程的概念
介绍了其次线性微分方程
和非其次线性微分方程
解的叠加原理
介绍了
求解非其次线性微分方程的
变动任意常数法
其次线性方程解的叠加原理说明
它的解集合是一个线性空间
由它的通解形式可以看出
一阶其次线性方程的解集合
是一个一维的线性空间
所以只要得到了
它的一个非零解
也就得到了它的通解
根据非其次线性方程
解的叠加原理
我们知道它对应的
齐次方程的同解
加上它的一个特解
就构成了它的通解
变动任意常数法
不仅是求解
一阶非其次线性微分方程的
一般方法
也是求解
高阶非其次线性微分方程的
常用方法
下一讲将介绍几个
线性微分方程的具体例子
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