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 > 8.2.2 一阶线性微分方程(2)
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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
前面我们已经得到了
一阶齐次线性微分方程
和一阶非齐次线性微分方程的
通解公式
本讲将通过
几个具体微分方程的求解过程
熟练的掌握这两个通解公式
并进一步体会变量替换思想
在求解微分方程
问题时的重要性
首先我们来看第一道例题
我们求下面
这个微分方程的通解
微分方程是dy比上dx
加上x分之1倍的y
再等于sinx比上x
我们知道这个微分方程
就是一个
一阶非齐次线性微分方程
为了更好的理解
一阶非齐次线性微分方程的
变动任意常数法的
具体求解过程
在这个具体题目中
我们就用变动任意
常数法的求解方法
来求解这个方程
首先这个方程
它对应的齐次方程
就是dy比上dx
加上x分之1再乘上y等于0
这个其次方程
它是一个变量分析方程
它的通解我们可以求出
是y等于x分之C
C是任意常数
为了求得非齐次方程的通解
我们就令y等于Cx比上x
我们将y和y′与C的关系
代入非齐次方程
我们就会得到关于未知函数
Cx的一个新的方程
最后我们整理这个方程
就会得到是C′x等于sinx
我们积分就求出了Cx
等于负的cosx加上常数C
这样我们就求得了
原来这个非齐次方程的通解
就是y等于x分之1
乘上括号里面C减去cosx
这就是我们要求的
一阶非齐次线性微分方程的通解
在我们熟悉了
变动任意常数法的
具体求解过程之后
我们再求解
一阶非齐次线性微分方程时
可以省略这个过程
而直接套用
一阶非齐次方程的通解公式
也就是有了
一阶非齐次线性微分方程之后
我们将系数函数px
和自由项函数qx
它的具体表达式得到了
就可以直接代入下面的通解公式
通过积分就会得到
我们要求的非齐次方程通解公式
第二道例题
我们求下面这个微分方程的通解
方程式y′减去x加1分之2乘上y
等于x加1的2分之5次方
这是一个
一阶非齐次线性微分方程
系数函数px
就等于负的x加1分之2
自由项函数qx
就等于x加1的2分之5次方
我们利用
一阶非齐次线性微分方程
它的通解公式
我们就会得到
y就等于e的x加1分之2的
一个原函数次方
乘上括号里面
是C加上一个不定积分
被积函数是x加1的
2分之5次方
再乘上e的负x加1分之2的
e的原函数次方
我们通过简单的积分计算
就会得到我们要求的
这个通解公式
就是x加1括起来的平方
再乘上括号里面
C加上3分之2倍的
x加1的2分之3次方
这就是我们要求的
这个微分方程的通解
下面我们看第三道例题
我们来求下面
这一个微分方程的通解
微分方程是y′
等于1除上两倍x减去y的平方
这是一个一阶微分方程
如果我们是将x作为自变量
y作为未知函数
这个方程它并不是线性微分方程
我们换一个角度
也就是说如果我们让y做自变量
x是未知函数
我们利用y关于x的导数
与x关于y的导数
是互为导数关系
我们就把原来的方程
变成是x′减掉2倍x
等于负的y方
x′表示的是x关于y的导数
这是一个关于
x等于iy这个函数的
一个一阶非齐次线性微分方程
我们利用
一阶线性微分方程的通解公式
就会得到x就等于
e的2的原函数次方
乘上括号里面C加上负y方
再乘上e的负的2的原函数次方
最后我们会得到一个
y方乘上e的负2y次方
求原函数的问题
在前面介绍积分法时
我们知道这是一个典型的
可以用分布积分法
处理的不定积分
我们对这个积分
分布积分两次就可以得到
它就等于负的4分之1
乘上1的负的2倍y次方
再乘上括号里面2倍的y的平方
加上2倍的y加1
最后加上常数C
这样我们就得到了我们要求的
微分方程的通解是
x等于C乘上e的2倍的y次方
减去4分之1乘上括号里面
2倍的y的平方加上
2倍的y再加上1
也就是说在处理一般的
一阶微分方程时
如果我们让x做自变量
y做应变量
而不会求解时
我们可以换一个角度
就是把自变量和应变量对调
看看新的微分方程
我们是否能够求解
下面我们看第四道例题
我们求下面这个微分方程的通解
这个方程是y的一阶导数
加上x分之1乘上y
等于y的平方
再乘上lnx
这是一个一阶微分方程
但是它并不是一个
一阶线性的微分方程
我们根据y分之1
关于x的导数
等于负的y方分之1乘上y′
我们可以将这个方程进行变形
在这个方程两端
同除y的平方
也就是将这个方程
就变成了y分之1
括起来关于x的导数
减去x分之1
再乘上y分之1
等于负的lnx
这是一个关于
y分之1这个变量的
一阶线性微分方程
我们用一阶线性微分方程的
通解公式
就会得到y分之1
它最后的表达式
就是x乘上C减去
2分之1倍的ln方x
这样我们就得到了
原来的微分方程它的通解公式
也就是y就等于1除上x
乘上括号里面
C减去2分之1倍的ln方x
实际上对于例4中出现的
这个微分方程
我们可以把它推广到一般的情况
也就是说一般的我们可以考虑
y的一阶导加上px乘上y
等于qx乘上y的n次方
考虑这个形式的微分方程
在这个方程里边
如果n等于0
这就是我们前面讨论过的
一阶非齐次线性微分方程
如果n等于1
它实际上就是我们前面讨论过的
一阶齐次线性微分方程
在n不等于0和n不等于1时
这个形式的方程
我们一般称作是伯努利方程
对于伯努利方程
它的求解方法
就是将y的n次方
同处于方程两端
我们利用米函数的求导公式
就可以进一步
将这个方程转化成
1减n分之1乘上y的
n减1次方分之1的导数
再加上px乘上
y的n减1次方分之1
等于qx
最后这个方程中
我们将y的n减1次方分之1
作为新的未知函数
这就是关于这个未知函数的一个
一阶线性非齐次方程
我们利用
一阶线性微分方程的通解公式
就可以求出
y的n减1次方分之1的表达式
也就得到了
原来这个伯努利方程的通解公式
事实上我们求解微分方程的
最主要的思想
就是通过变量替换
将不会求解的微分方程
变成我们熟悉的微分方程
下面我们再看道例题
例5
求微分方程y′加1
等于e的负y方乘上sinx的通解
如果不做变形
这个一阶微分方程
就不是我们会求解的
微分方程的形式
但是如果我们将这个方程两端
同乘e的y次方
那么这个方程
就会变成e的y次方
乘上y′加上e的y次方
等于sinx
我们知道e的y次方乘上y′
实际上就是
e的y次方关于x的导数
我们将e的y次方
作为新的未知函数
我们得到的方程
就是关于这个未知函数的
一个一阶线性微分方程
利用微分方程的通解公式
我们就得到了e的y次方
它的求解公式
通过运算
我们知道我们要求e的x次方
乘上sinx的原函数
这也是一个典型的
可以用分布积分法
处理的不定积分问题
我们回忆一下
对这个被积函数
用分布积分公式两次
就会得到我们要求的
这个原函数满足的方程
从而就得到了
这个原函数的表达式
最后我们就得到了e的y次方
就等于1的负x次方
乘上括号里面
C加上2分之1倍的
e的x次方
再乘上括号里面sinx
减去cosx
这就是我们要求的
微分方程的通解公式
如果我们将两端取对数
就可以直接得到
y用x给出的表达式
下面我们看最后一道例题
这是一道简单的应用题
在xy坐标面上
假设连续曲线L是过点M1 0的
在这条曲线上任意一点P x y
在这点的切线
它的斜率与直线OP的斜率之差
是等于2倍x
在这两个条件下
我们来求曲线L的方程
要处理这道问题
我们就用到了导数的几何意义
也用到了简单的
一阶微分方程的求解问题
我们假设曲线L的方程
就是y等于yx
那么曲线L在px y
这一点的切线斜率
就是y关于x的导数
而直线OP的斜率就等于P点的
纵坐标与横坐标的比值
根据题目中给的条件
我们知道y关于x的导数
减去y比上x应该就等于两倍x
这是一个简单的
一阶非齐次线性微分方程
我们利用通解公式
就可以求出这个方程的通解
最后就等于Cx加上2倍的x平方
为了确定这里面的常数C
我们就再用题目中
给的另外一个条件
就是说曲线L
是过点M1 0的
也就是说x等于1时y应该等0
所以C加2应该等0
也就是C等负2
这样我们就求出了曲线L的方程
是y等于2倍x乘上括号里面x减1
这一讲中我们通过具体例子
练习了利用通解公式
求解一阶线性微分方程的方法
在求解过程中
要将方程化为标准形式
同时也要注意px的不定积分
和qx乘上e的px不定积分次方
这个函数的不定积分
它表示的只是
被积函数的一个原函数
伯努利方程
是一类特殊的一阶微分方程
变量替换可以
将其化为线性微分方程
这是伯努利方程的一般求解方法
从下一讲开始
我们将介绍
二阶常系数线性微分方程
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
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