当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第五章 常微分方程 > 第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法) > 变量分离方程
好 前面我们介绍了
微分方程的基本概念
和一阶微分方程
定解问题的存在唯一性定理
接下来我们主要介绍一些
可以求解的简单的一阶微分方程
我们首先介绍第一类
可求解的一阶微分方程
我们把它称为变量分离方程
那什么叫变量分离方程
也就是说 他的定义是这样说的
如果一个一阶微分方程
可以写成y‘=f(x)*g(y)的形式
那么 这样的一阶微分方程
我们就称为是变量分离的微分方程
在这个方程里面
所谓变量分离
主要指的是与变量x
和与变量y有关的
能够完全表示成
两个毫不相干的因子
那接下来
我们就利用这个变量分离方程的特点
来看一看他的一般求解方法
也就是说他的解法
我们做的时候就是看
当这个y 与y有关的因子不等于0时
我们两端同除这个gy
也就是会得到下面这个形式
这就是dy比上gy
把dx给乘过去
这就是fx乘上dx
因为我们在介绍一元函数的时候知道
一元函数的导数可以表示
函数值的微分除上自变量的微分
所以这边应该就是两个数相除
当然我们可以把他给乘过去
我们变到这个形式之后
那么 所谓变量分离方程
他的特点是不是更明确
也就是说与x有关的部分
和与y有关的部分
完全被这个等号分到了两边
分到了两边
到了这个形式之后
我们两端做不定积分
做不定积分也就是dy除上gy
这个做不定积分
他应该与这边做不定积分
是相等的 相等的
实际上 这就是
我们变量分离方程的求解方法
因为我们做完积分之后
这里面自然就不会有
求导运算或者是微分运算了
当然等号的右端
也不会含有导数或者是微分运算
如果我们用大写的Gy
来表示gy分之一的一个原函数
而我们用大写的Fx
来表示就是小fx的一个原函数
那么这个积分等式
当然就可以写成是
Gy=Fx+C
实际上这样就得到了
这个自变量与函数值之间的一个关系
在这个运算里面只有代数运算
这就是微分方程的通解形式
当然大家可能觉得奇怪
说通解不应该是这样去做吗
说要把y与x的这个关系式找出来
但是我们在介绍函数概念时
我们说过 你写出来这叫显函数
我如果写成这个样子
这应该是隐函数形式
所以在求解的时候
有时候我们得到的是
显函数这种解
有时候我们可能
只能得到隐函数形式的解
所谓微分方程的解或者是通解
只要把微分方程里面的导数运算
或者是微分运算能够去掉就行了
也就是说剩下的
只要只是代数运算就可以了
这是关于方程的解法
当然在这个地方
还有一种情况需要说明一下
因为gy=0我如果解出来
可能就是y=某一个数
那要是从函数的角度来讲
就是y是个常函数
那我们最后还要考虑一下
这个常函数是不是满足原来的方程
当然如果他是常函数的时候
他的导数肯定=0
这个又是等0的
那自然他会满足方程
也就是说他的特殊情况
往往是这个微分方程的
一个特解 一个特解
这是关于变量分离方程
有了这个一般的讨论之后
接下来 我们通过两个具体的例子
来进行进一步的说明
比如说我们求解一个简单的方程
就是y’=2xy 我们知道
这就是所谓的变量分离方程
那我们的求解方式就是这样子的
当y不等于0时
原方程就转化成dy/y=2xdx
然后我们两端积分
就会得到ln|y|应该这边是=x^2+C
我们就可以把y给他表示出来
就是e的x平方次方再加上C
就是C是在指数上
这样做的时候
当然 根据乘方运算
我们可以写成e的C次方
乘上e的x^2次方
因为我这里这个y是绝对值
所以说这个自然应该是大于零的常数
现在如果我把这个绝对值符号去掉
我就可以写成
这个y应该=Cexp(x^2)
而这里这个C跟这个C
尽管形式是一样的
但含义已经不一样了
在这儿 这个C他是属于实数
只要不等于0就可以了
这应该就是
我们这个微分方程的一个通解
一个通解
当然我们刚才去掉了一个y恒等于0
我们用y恒等于0
也就是这个常函数
也满足 也满足这个方程
也就是y’=2xy
那大家看一下
所以我最后的解
是不是可以这样来表示
其中C就是一个任意常数
因为我只要把这里面的C取成0
就把我这个恒等于0的解给涵盖进来了
我想这是这一个简单变量分离方程
我们最后相当于
把他所有的解都得到了
而且所有的解
都涵盖这个通解的表示里面了
这是一个方程
接下来我们来看另外一个例子
也就是说
我们y‘-xy’=a(y^2+y')
其中a是不等于0的
或者是a是确定符号也可以
我们解这一个方程
这个方程当然大家第一步就要看
我们的一阶导散落在三个地方
那我们作为方程来说
自然是这样写的
也就是给他整理一下
这是y‘提出来
这是1-把这个a先放到前面来
再减x 这个应该就等于a倍的y^2
实际这样一写的时候
我们自然能够看出来
这个方程应该是变量分离的
因为与x与y有关的
可以写到不同的因子里边
那我们的求解过程
应该是这样说的
就是当这个y不等于0
而且1-a-x也不等于0时
我们的原方程就可以转化成这个形式
dy/y^2然后这边应该就等于a/(1-a-x)
这边是dx
我们对这个等式两端积分
我们就会得到
左边是个-1/y
右边应该是-aln|1-a-x|
再加上任意常数
那这一个
我们取一个倒数运算
也就是y就等于
aln|1-a-x|-C这个倒数
我想这就是他的通解
同时我们回过来看一下
如果y=0的时候
y=0原来方程当然也是成立的
所以说除了这个通解之外
我们还有一个解
就是y在任何一点的值都等于0
当然大家说
你刚才还有一个不等0
这个不=0 只是体现了
我们在这里取对数
绝对值要想取对数的时候
只要绝对值不 =0就行了
所以说他强调了
这个函数他在哪一点是没有定义的
在这个例子里面
大家有没有注意到
这是通解 但是这个通解
并不能包含着
这个y恒等于0的时候这个解
这里就有一个问题
我们微分方程的通解的定义是什么
微分方程的通解
他的定义是这样子的
说解的表示式里面含有
与方程阶数的相同的个
相同的多个任意常数
这就叫通解
这个与我们在学习其他课程
比如说学习线性代数的时候
那么线性方程组的通解
指的应该是他的所有的解
而我们微分方程通解的概念
它并没有说
他必须是他的所有解
他只要含有的任意常数的个数
与方程的阶数一致就可以了
所以说这个例子
就是一个说明
通解不见得是所有的解
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
-第一节 二重积分的概念和性质
--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题