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 > 8.4.2 常系数微分方程简单应用举例(2)
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们介绍第八章
常微分方程
第四节常微分方程简单应用举例
本讲将介绍两个经典问题
一个是马尔萨斯的人口理论模型
另一个是微分方程早期研究的
弹性振动问题
下面我们来看人口增长问题
我们知道在18世纪末
马尔萨斯首先提出了一个人口理论
他说在一个地区人口的增长率
与当时人口的总数是成正比的
也就是Nt关于t的导数
等于r乘上Nt
在这Nt表示的就是在时刻t
这个地区的人口总数
而r大于0是一个比例常数
它代表的是人口的增长率
这个方程是一个一阶齐次线性方程
它的解就是Nt等于N0乘上e的rt次方
在这N0表示的是
这个地区初始时的人口总量
下面这个图表示的
就是这个指数函数的图像
根据指数函数的性质
我们知道当N0比较小时
在段时间内
这个指数函数它的取值
与这个地区在相应时刻的人口数
还是相差不多的
但是随着时间的增长
我们可以想象
这个指数函数它的取值就很难反应
相应时间这个地区的人口总数了
在19世纪30末
菲尔胡斯对马尔萨斯的人口模型
做了一些修正
也就是将人口的增长率
从常数r变成了r减去b乘上Nt
b是大于0的
同时使得r减去b乘上Nt也是大于0的
也就是人口的增长率
随着人口数的增大而不断的变小
这个时候Nt满足的微分方程
就变成了N关于t的导数
就等于括号里面r乘上b减Nt
再乘上Nt
这个方程就是所谓的逻辑斯谛方程
逻辑斯谛方程
是一个我们熟悉的变量分离方程
我们对它分离变量
就会得到dN除上R减bN括起来
再乘上N 就等于dt
我们对这个方程的左端进行拆项
就会得到r分之1乘上括号里面N分之1
加上r减bN分之b
再扩起来乘上dN等于dt
我们积分得lnN减去lnr减b乘上N
就等于rt加上一个任意常数C1
我们利用对数函数的运算性质
以及对数函数和指数函数
是互为反函数的
我们就会得到N除上r减去bN
就等于C乘上e的rt次方
C是e的C1次方
也是一个任意常数
这是关于n的一个一次方程
所以我们就会得到Nt与时间t的关系
在最后这个表达式里面
N0表示的仍然是初始时刻
这个地区的人口数
这个函数的图像就是下边这个图中
单调上升的这条曲线
从图中我们可以看出
随着时间越来越长
这个地区的人口总量
是逐渐趋向一个固定值
这个值的大小就是r比上b
这就是被改进的马尔萨斯人口模型
我们得到的一个地区的人口数
与它的增长时间数之间的关系
下面我们来看
另外一个简单应用
也就是有关弹性振动问题
我们假设有一个水平放置的弹簧
它一端是固定的
另一端与质量是m的一个物体相连
我们假设在弹性力的作用下
这个物体沿着水平方向
在有阻力的介质中运动
为了求得这个物体的运动方程
我们再假设在开始时
也就是在t等于0的时候
物体是位于图中的平衡位置O处
在t时刻
物体距离平衡位置的距离
我们用xt来表示
假设物体在运动过程中
除了受到弹性力的作用之外
还会受到一个
大小与它的运动速度大小
成正比的阻力
那么我们根据牛顿第二定律
也就是物体所受的力
应该等于物体的质量
乘上它的加速度
在这个具体问题中
我们就会得到质量m
乘上这个运动物体的加速度
也就是距离关于时间的二阶导数
应该等于它受到的弹性力
就是负的H乘上x
其中H是弹性系数
弹性力的大小与
它离平衡位置的位移
是成正比的
再减去k乘上dx dt
这项表示的是所受的阻力
k是阻力系数
在等式的右端
之所以两项前面都是符号
这表示的是它受到的力
与它的运动方向是相反的
这样我们就得到了在弹性力
和阻力的作用下
运动物体它的运动方程x
等于xt满足的微分方程
这是一个
二阶常系数齐次线性微分方程
如果我们再假设
物体在运动的过程中
还会受到其他的外力的作用
那么它的运动方程
y等于yt
满足的微分方程就是y的二阶导
加上2倍的ny的一阶导
再加上w方乘上y等于ft
在这我们习惯将未知函数
用y来表示
t仍然表示它的运动时间
在这个微分方程中
y的两阶导项
实际上代表的是加速度
而y的一阶导向
在这个问题中
表示的是它受到的阻力
而w方乘上y
表示的应该是与弹性力有关的
右端项ft指的是它受到的
其他的外力作用
下面我们来考虑几个特殊的情况
首先我们来看无阻尼自由振动的情况
所谓无阻尼指的是受到的阻力
等于0
也就是阻尼系数n等于0
自由振荡表示的是不会受到强迫力
所以ft恒为0
这时的运动方程
就变成了一个简单的
二阶常系数齐次线性微分方程
也就是y′′加上w方乘上y等于0
这个方程的通解
就是y等于C1乘上coswt
再加上C2乘上sinwt
我们利用辅助简化公式
也就把它整理成
A乘上sinwt加上ψ
其中A表示是振幅
ψ是所谓的初相位
下面这个图表示的就是这个时候
它的运动方程的图形
在整个过程中
它的振幅是不变的
所以说这就是
所谓的无阻尼自由振动
下面我们再来看第二种情况
也就是所谓的
小阻尼自由振动的情形
所谓小阻尼我们指的是
阻尼系数n小于w
而自由振动同样指的是
强迫力ft等于0
在这个条件下
运动方程就变成的一个
二阶常系数齐次线性微分方程
这个微分方程
在n小于w时
它的两个特征根
就是w等于负n加减根下w方减n方
再乘上i
也就是它有一对(公有负根 音)
那么这个时候这个微分方程通解
最后就是y等于A乘上e的负的nt次方
再乘上sin根下w方减n方
乘上t再加上ψ
在这个表达式中
有一个指数因子
e的负nt次方
这个因子表示的是
随着时间t越来越大
它的振幅越来越小的
所以说这个因子
表示的是它的衰减的性质
而后边有一个sin因子
这个因子表示的是它的振荡因子
这个时候它的图形
就是一个衰减的振荡图形
下面这个图形刻画的
就是一个衰减的振荡运动
下面我们来看另外一种特殊情况
也就是第三种情况
我们考虑强迫力ft
等于H乘上sinwt的
无阻尼的强迫振荡的情形
这时候阻尼系数n仍然等于0
所以运动方程就变成了
一个2阶常系数非齐次线性微分方程
它的右端项是H乘上sinwt
它对应的齐次方程的通解
就是y等于A乘上sinwt加上ψ
我们利用待定系数法
考虑到我们设特解的基本原则
因为这个时候
w乘上a它正好是
它对应的齐次方程的一个单特征根
所以这个非齐次方程的一个特解
我们就设为y*等于t乘上括号里面
一个一般的0次多项式
B乘上coswt
再加上一个一般的零次多项式
c乘上sinwt
我们将y*的表达式
y*′′的表达式
代入原来的非齐次方程
我们就会得到
要求的两个待定参数
B就等于负的H除上2倍w
C就等于0
通过这个图形我们可以看出
随着运动的时间越来越长
实际上它的振幅也越来越大
而且可以趋向于无穷大
这就是所谓的共振现象
在这一讲中
我们首先介绍了
马尔萨斯的人口理论模型
和菲尔胡斯的改进模型
记逻辑斯谛方程
逻辑斯谛方程在经济学
医学 生物学等领域
都有着广泛的应用
通过这个例子
可以看出许多理论在建立之初
并不见得完善
正确的态度应该是
首先看看我们如何改进
从马尔萨斯的人口理论模型
到菲尔胡斯的逻辑斯谛方程
就很好的体现了这一思想
在这一讲中
我们介绍的另一个例子
是弹性振动问题
在这个例子中
一方面体现了
数学建模的思想方法
建立了振动物体的位移
满足的微分方程
另一方面通过讨论
无阻尼自由振动
小阻尼自由振动
和特殊的无阻尼强迫振动
这三种情形
体现了科学研究的一种基本方法
也就是在化解问题的同时
要保留问题的主要特征
作为大学先修课程
我们只是介绍了
常规方程的最基本的内容
所以有着广泛应用的一个数学分支
微分方程具有丰富的内涵
也含有许多新的问题
等待着有志者去探索
希望大家都是有志者
谢谢同学们的坚持
也谢谢同学们的陪伴
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