当前课程知识点:微积分(先修课) > 第八章 常微分方程 > 8.4 常系数微分方程简单应用举例 > 8.4.1 常系数微分方程简单应用举例(1)
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们介绍第八章
常微分方程
第四节常微分方程简单应用举例
微分方程理论
就是在解决实际问题的过程中
建立起来的
在早期研究的主要是
曳物线 悬链线等几何问题
或者是弹性问题 单摆问题
弦振动问题等物理问题
也曾经研究过二体问题
三体问题 等天文学中的问题
现在除了传统的自然科学领域
在生命科学 经济学 社会学等领域
微分方程也有着简单的应用
在这一讲中
我们将介绍微分方程应用的
两个简单但又经典的例子
下面我们首先来看曳物线问题
所谓曳物线指的是在xOy平面上
我们有一根长度为一个单位的细绳
是位于x轴的区间01上
在x等1的一端
我们系一个质量是m的小物体
然后我们让细绳的另外一端
沿着y轴的正方向移动
那么质量为m的物体
它的移动轨迹
就是所谓的曳物线
下面我们来求曳物线的方程
我们看一下下面这个图
在这个图上我们将细绳的两个端点
分别记作是P和Q
开始时P在原点
Q为x等1处
当P点沿着y轴向上移动时
我们假设Q点的轨迹
也就是曳物线的方程就是y等于yx
为了求出曳物线的方程
我们假设Q点在运动过程中
任意时刻的位置是xy
在相应时刻
P点的坐标
我们假设为0 Y
因为PQ线段的长
永远是等于1的
根据两者件的距离公式
我们就得到了x方加上y减Y的平方
应该等于1
也就是y减Y应该等于负的根下1减x方
我们为了得到x和y的关系
我们注意到根据曳物线的概念
我们知道在运动的过程中
PQ的方向永远都是曲线y等于yx
在xy这点的切线方向
我们根据导数的几何意义
以及直线的斜率公式
我们就知道y关于x的导数
也就是dy dx
就应该等于y减去Y除上x
也就是直线上两点间纵坐标差
比上这两点的横坐标差
这样我们就得到了曳物线
它的方程满足的一个简单微分方程
就是dy dx
等于负的根下1减x方除上x
我们做不定积分就得到
y等于根下d减x方
除上x的原函数的负值
再加上一个ln常数
我们为了求出这个原函数
我们做三角换元
令x等于cost
那么dx就等于负的sint乘上dt
这样我们原来的这个不定积分
就转化为cost分之1
减去cost的不定积分
cost分之1是正割
它的原函数我们是曾经求过的
cost的原函数
我们也是知道的
所以我们就得到了y等于1加sint
除上cost取绝对值之后
再求自然对数
再减去sint加上C
我们将cost等x
sint等于根下1减x方代入
就会得到y与x的关系式
考虑到一开始时x等于1 y是等0的
所以这个表达式中的常数应该等0
这样我们就得到了曳物线的方程式
y等于1加根下1减x方
再除上x取自然对数
再减去根下1减x平方
所以利用导数的几何域
以及简单的微分方程求解的方法
我们就得出了曳物线的方程
一般的曳物线又称为追踪曲线
之所以称为追踪曲线
是因为当P沿着已知的路径逃跑时
追赶者Q从某点出发盯住P追赶
那么追踪者Q跑过的路线
就是一类曳物线
所以曳物线是一类具实际背景的曲线
我们利用学过的简单的微分方程的知识
就得到了简单曳物线的方程
得到的是一个简单的代数表达式
下面我们来看微分方程的另外一个应用问题
就是关于放射性元素的衰变问题
我们知道放射性元素在衰变的过程中
在每一时刻原子个数的变化率
实际上是它的减少率
是与这个时刻原子总数成正比的
我们假设t时刻的原子总数是Nt
也就是N关于t的导数等于负的λ乘上N
在这λ大于0
是称为这个放射性元素的衰变常数
不同的放射性元素
它的衰变常数都是由试验确定的
N关于t的导数
等于负的λ的乘上Nt
是一个我们熟悉的一阶齐次线性方程
我们可以得到它的解就是N等于N0
乘上e的负的λt次方
其中N0是在初始时刻t等于0时的原子个数
这是一个指数函数
它的图形就是在下面的这个图像中的
这一条单调递减的趋向
下面我们来谈一个
这个公式的简单应用
对于放射性元素来说
当它的原子核有半数发生衰变时
所需要的时间
我们就称它是这类放射性元素的半衰期
我们假设某种放射性元素
它的半衰期是T
也就是N0乘上e的负λ乘上T次方
应该就等于2分之1倍的N0
这样我们就得到了半衰期T
与它的衰变常数λ的关系
也就是T等于ln2除上λ
当放射性元素的半衰期T已知时
我们的衰变常数
就可以用ln2除上T来表示
这样我们就得到了原子个数NT
与衰变时间T的关系
在这里面
我们就可以得到衰变时间t
应该等于它的半衰期T除上ln2
再乘上N0
比上Nt的自然对数
在具体应用时
这个表达式经常用来测算古文物的年代
在具体测算时
我们的比值N0比上Nt
可以用下面的方法来进行测算
因为我们知道Nt在0点的导数
应该就等于负的λ乘上N0
而Nt的导数
就负的λ乘上Nt
这两个等式我们做比喻就会得到
N0比上Nt
就等于N′0比上N′t
在这N′t就是我们测试对象
它的衰变率
而N′0表示的是同一种元素
在测试当时它的衰变率
这两个值都可以通过试验得到
有了这个比值之后
我们就可以利用上面的公式
能够大概测算出
我们要测试的这个古文物的年代
在这一讲中
我们介绍了利用微分方程理论
研究曳物线问题
和研究放射性元素的衰变问题
在处理曳物线问题时
关键是如何利用曳物线的性质
建立曳物线函数满足的微分方程
这就是一个简单的数学建模问题
是数学应用的基础和关键
放射性元素的衰变问题
我们利用导数是函数值
关于自变量的变化率这个性质
就容易得到原子数满足的微分方程
在这里要体会如何利用所得结论
求得要找的量
下一讲将介绍
微分方程简单应用的另外两个例子
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