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) > 可化为齐次型方程的方程
好 前面我们介绍过齐次型方程
我们知道齐次型方程
是通过做变量替换
把这个齐次方程变成了
我们可以求解的变量分离方程
接下来我们再看另外几种方程
第一个我们先看一下这样的方程
也就是说这个未知函数的导数
只与这个表达式有关
这个时候仿照齐次型方程的处理方法
我们可以引进一个新的未知函数
也就是ux=ax+by+c
这时候我们知道
他们两边关于x求导
就会得到u关于x导数
等于a+b倍的y关于x导数
也就是y关于x导数应该等于
u‘减掉a除上b
我们把这个y’
以及这个表达式与u的关系
代到原来方程去
我们就会得到
原来的方程变成了
下面这个方程的形式
有(u‘-a)/b=f(u)
实际上这个方程
如果我们让x做自变量
u做未知函数时
这应该就是一个变量分离方程
也就是说对这个形式的微分方程
我们可以通过做这一个变量替换
把它变成一个变量分离的
然后进行求解
得到了ux的关系
自然就会得到y与x的关系
我想这是这一类方程的处理方法
接下来我们来看另外一类
这类方程我们就是说
他的形式是这样子的
f这里面是ax+by+c
除上a1x+b1y+c1
也就是说未知函数的导数
他是与这一个简单的有理分式有关
那这是我们处理的时候
这里边牵扯到6个系数
abc a1b1c1
那我们根据这6个系数的情况
可以给他分成不同的类型进行处理
也就是说第一种情况
我们看一下
就是这个系数c和c1都为0的时候
我们用c方+加上c1平方等0
来刻画这个条件
这时候这个方程就变成了
y关于x导数就等于f
这面是ax+by再除上a1x+b1y
我们上下同除x
他也就变成了f
这是a+by/x
这是a1+b1y/x
实际上写到这个形式
大家知道这个未知函数的导数
他就只与y和x的比值有关
这就是我们前面曾经讨论过的齐次型方程
那我们把它按齐次型方程的处理方法
就会得到他的解
这是第一种情况
第二种情况
如果我们这个
c1c2他不会同时为0
但是我们这个
a a1和b b1是成比例的
也就是说第二种情况
就是a/a1=b/b1
这时候我们可以这样来说
如果我就记或者是令
a1=ka 相应的b1=kb
这时候这个方程就变成了
y=f上面是ax+by+c
下面就变成了 把k提出来
也就是k(ax+by)+c1
这时候大家看一下
这个右端这个函数
就意味着这个未知函数的导数
他就只与ax+by
这个表达式的值有关
而这种情况
我们自然可以归到
我们刚讨论完的第一种情况
所以我们再做变量替换
就可以把它变成一个变量分离的
第三种情况
这个时候也就是说
c和c1不会同时为0
同时我这个a/a1也不等于b/b1
就是这个条件
这时候我们来考虑
在这个表达式里面的两个表达式
也就是说我考虑这个方程
ax+by+c=0
ax1+by1+c1=0
在我们考虑的
我们给定的这个条件下
这个方程组他是有唯一解的
我假设它的解是x0 y0
这是它的唯一解
这样 我可以做下面这个替换
也就是令我的x 小x
等于我一个新的变量大X+x0
y就等于一个新的变量大Y+y0
这时候我们把xy 他这个
和大X大Y的关系
往这个方程里面代
当然我们dydx可以表示成
Y的微分比上X的微分
而把xy xy代到这里面时
我们经过整理
我们会得到这个样子
也就是说这面就是
Y关于X的微分的商
这是这边应该就是f
是aX+bY 再加上这面是ax0+by0+c
这是分子 分母就变成了
a1X+b1Y 这是a1x0+b1y0+c1
这是分母
因为我们的x0和y0
是这个方程组的解
所以说这个括号里面的应该是等0
那么他就会变成f
上面就是aX+bY
再除上a1X+b1Y
而这个形式Y和X的关系
就转化了我们曾经考虑过的
当c和c1同时为0的情况
他当然对YX这两个变量来说
他满足的应该是一个齐次型方程
所以说对于这一类方程
以及这一类方程
我们都可以通过做变量替换的这种方法
转化成我们能够处理的方程
最后我们来看一个具体的例题
我们求解一下这个方程y’=2x-5y+3
再除上一个2x+4y-6
这个方程这自然就说
未知函数的导数
只与这个简单的有理分式有关
那按照我们的处理方法
我们看当然系数c和c1不会为0
同时我们注意一下
aa1和bb1也不成比例
这个时候我们做这个问题的时候
我们直接就考虑这个方程组
就是2x-5y+3=0
还一个是2x+4y-6=0
由这个方程组
我们当然可以解
解出来x0应该是等1的
y0也是等1的
也就是说这个方程组的唯一一组解
我们已经得到了
接下来我们就令x=X+1
然后Y=y+1
就是做这样的变量替换
这时候 我们原来这个方程组
这个方程就变成了
Y关于X的导数
等于这面应该就是
2X-5Y再除上2X+4Y
我们可以再写一下
他也就等于
上面是2减掉5倍的Y/X
底下是2+4Y/X
这就是一个新的
Y关于X的一个未知函数的
满足的齐次型方程
那我们再令
就是说U就是X的函数
他应该就等于Y/X
则Y关于X的导数应该等于
U+X乘上U关于X导数
也就是这个方程会变成
U+XU’应该=(2-5U)/(2+4U)
这应该就是一个变量分离方程
那我们整理一下这个方程
他可以得到这个形式
也就是把这个U减过来
通分 最后除过去
这应该是一个2+4U
底下应该是2-7U-4U^2
这边是dU dU
接下来关于x的这一项
x这一项我们给他除过去
应该就是等于X分之dX
在这个等式的两端
右边关于X求原函数
这是一个基本积分公式
左边上边是关于U的一次多项式
底下是二次多项式
这是有理函数
有理函数我们积分的时候
我们要先把他的分母看看
能不能做因式分解
也就是说在实数范围里面
分母能不能进一步分解
这个分母大家可以看出来
就是2-7U-4U^2
我们可以给他做这个分解
也就是等于
这面应该是一个1-4U
再乘上2+U
就是有了这个因式分解之后
那么这个等式的左端
我可以分解成两个最简分式之和
分解完之后
我把右 我把左端的系数都写成正的
左端也就是2/3倍的
这是一个U+1/2
再加上4/3倍的
这面是一个4U-1分之一
这时候左边
我把分解过程中的一个负号
放到左边来
应该就是负的x分之一
当然这面是对U去做积分
这面应该是对X做积分
这样我们两边积分的时候
左右都可用简单的基本积分公式
和凑微分法得出来
像第一项出来的应该是
2/3倍的ln(U+2)
然后第二项
这个4跟这个4正好凑微分
所以出来的是
加上1/3倍的ln(4U-1)
而这个右边我们写出来
他应该是等于ln1/x
因为那个 对数前面的负号
我们可以放到真数的指数上去
所以就是说X的-1次方写成1/X
后面本来应该加一个积分常数
我们为了处理起来方便
我把那个积分常数写成lnC的形式
也就是说根据对数的性质
我这个地方应该再写成一个C
这样大家简单整理一下
我们就会得到
关于U和X的这一个关系
这应该就是三次根下(U+2)^2
再乘上(4U-1)
这面应该就等于X除上C
最后大家把U和XY的关系带进去
这个等式就变成了XY之间的一个关系式
接下来我们再把
XY用x-1和y-1代回去
我们最后得到了
就是变量x和y之间的一个关系
我们最后就会得到
变量x y满足的关系
也就是y-2x-3平方
再乘上4y-x-3
这面是等于C
这个C表示的是任意常数
但这个任意常数
跟这一个C是不一样的
所以我们加一个下标以示区别
在这一个地方
应该得到的是
y+2x-3的平方
再乘上4y-x-3
最后等于c1
这样我们就得到了
变量xy他的函数关系
当然这是个隐函数关系
这是关于这两类方程
我们基本的处理想法
就是通过变量替换的方法
把它转化成我们可以求解的方程
-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