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) > 齐次型方程
好在这一节中
我们来介绍一下
另外一种一阶微分方程的求解方法
这就是所谓的齐次型方程
首先什么样的方程叫齐次型方程
我们给出一个定义
如果一个一阶微分方程可以写成
y‘=f(y/x)的形式
那这样的一阶微分方程
就称为齐次型方程
通过齐次型方程的定义我们知道
也就是说在齐次型方程中
他的导数是依赖于
y与x的比值
换句话说
你x变化或者你y的变化
我的导数是不是变化
我并不知道
我只关心
在xy变化的过程中
y/x这个比值是否变化了
如果这个比值不变的时候
我的导数是不做变化的
这是齐次型方程的特点
而我们对齐次方程
来谈他的解
或者是来谈他的求解方法
也是正好利用了他这个特点
所以他的解法是这样子的
我们知道导数值只依赖于这个比值
所以我们引进一个新的未知函数
就令u(x)=y/x
那么我们原来的未知函数是y
他就等于x*u(x)
而我们这个y的导数
y的导数应该就等于两个因子相乘求导
也就是u(x)
再加上x不动
u关于x的导数
我们把y/x用u代 代到原函数里面
而把y’用u+xu'代到原函数来
这时候我们就会
得到原来的方程变成了这个样子
这就是u+xu‘应该等于f(u)
那我们再给他写一个形式
也就是xu’等于f(u)-u
到了这个形式我们知道
如果x是自变量
u是未知函数的时候
那么这个关于新的未知函数的一阶微分方程
应该就是一个变量分离方程
变量分离方程 当然
我们就有可能把这个函数找出来
u(x)这个函数得到之后
自然我们也就得到了
原来要求的未知函数u(x)x
这就是关于齐次型方程的求解想法
接下来我们通过两个具体的例题
来看一下
我怎么样把一个齐次型方程
变成是变量分离方程
从而通过求解变量分离方程
得到原来方程的解
我们看一下这个方程
xy‘-y=根下(x^2-y^2)
这个方程我们怎么求解
我们先给他变形
变形完之后
也就是y’就等于y/x
再加上一个根下1-(y/x)^
这当然就是一个齐次型方程
我们就令u(x)=y/x
那么 则原来的方程
就变成这个样子
y’就是u(x)+xu'(x)
而这边y/x就是u(x)
再加上根号下的
1-u(x) 他的平方
写成这样之后
那这个u消掉
然后我们再给他变形
也就是变成du比上根下1-u方
我把这个表达形式写的简单点
这面应该就是(1/x)dx
两边我们做不定积分
这一个就是arcsinu
这面应该是 再加上
再等于一个lnx
再加上一个lnC
我把任意常数
为了最后写的简单点
我写成lnC的样子
这也就是lnCx
最后我们把u与y和x的关系带进去
就会得到arcsiny/x=lnCx
实际上这个解
我写成这个样子就可以了
如果我再写的时候
我最多就可以写到y=xsinlnCx
我想写成显式样子
与现在的隐式形式相比
并没有太多的优势
所以说我写成一个隐式解
哎 就是原来的解
当然在这个求解过程中
这里我们做了一个变形
两边同除x
那这个x就跑到了
这个根号下面
这儿还没有变号
实际上我做的就是x>0的解
然后类似的
在这个地方我做变形的时候
我自然是假设这个是不等0的
这个不等0
也就是假设了
u是不等于±1的
不等于±1的
也就是我排除了
这个y=±x这个解
我做的这个
当然y=x时是不是解
我们可以看一下
y=x时 这个是等于0的
y=x 这是x
一求导这是1
所以y=x应该是解的
那y=-x是不是解
y=-x代到这 当然是0
这是-x 这就是+x
但是-x求导有个-1
所以这也是等0
实际上我们除了这个通解之外
我们应该还有y=+x或-x
也是原来方程的解
也就是在求解的过程中
我们做问题的时候
我们做什么运算
都心里要清楚
这个运算对我
这个量的限制是什么
如果你做了这样的运算
你要把不满足这种运算的
其他情况要考虑进去
如果说我考虑x小于0的时候
实际上方法是类似的考虑
无非是在这个地方要插一个-
这个我们就不再重复了
所以有时候我们做问题
是这样说的
说只要会讨论这种情况
其他情况类似讨论
这时候你可以只讨论一种情况
当然如果x小于0时
整个求解方法完全是不一样的
那个时候我们就需要
对x小于0要重新讨论
我们再看另外一个例子
也就是我们来求解一下
[1+2exp(x/y)]dx+2exp(x/y)(1-x/y)dy=0
这个微分方程里面
我们见到的是微分运算
与微分方程里面出现导数运算类似
他当然也是个微分方程
但是他也有一点点不同
如果里边是导数运算
他当然就已经告诉我
谁是自变量 谁是因变量
如果这里边仅仅出现是
微分运算的时候
如果不考虑我们的习惯
那么x和y
在这个方程中的地位是一样的
所以说有时候
我们也把以微分形式给出的方程
叫微分方程的对称形式
这个对称完全就是一个统称
就是说x和y在这里边
他并没有暗含着谁是自变量
谁是因变量
比如说在这个方程里边
如果我们按照习惯
让x是自变量
y是函数值的时候
那我们知道
他确确实实是一个齐次型方程
但是如果我们做
齐次型方程一般换元的时候
那在这个地方
会出现倒数做指数
倒数做指数我们求原函数
大家不用求就知道肯定有困难
所以在这个问题里面
根据方程的形式
我可以取x是y的函数
也就这句话的意思就是说
我把y当成是自变量
x是函数值
这个时候我们令
u(y)是等于x/y 比上y
那么我们的dx/dy
应该就等于u(y)+yu'(y)
我们把这些关系
代到原来方程里面去
那么原方程就变成了
1+2exp(u) u就是u(y)的函数
这边应该是乘上的u+yu'
这边上加上2倍的eu
这是1-u 这面等于0
那接下来我们给他整理一下
整理一下以后
大家给他乘开
这边是u再加上2ue^u
这面再加上yu‘
再加上2y y‘ e^u
这面再减掉一个
再加上一个2e^u
减掉2ue^u 这边是=0的
实际上这项跟这一项是消掉的
然后我们再把u’做公因子提一下
这就是u‘ 这面就是y+2ye^u
这边我们给他放到等号另外一端去
也就等于-(u+2e^u)
接下来我们注意到
这个y是可以提出来的
所以说这关于自变量是y
因变量是u的时候
这就是一个变量分离函数
那我们给他分离开
就是 这面是1+2e^u
分母上是u+2e^u这是du
这面就等于-1/ydy
那大家注意一下
这个分子正好是分母关于u的导数
所以我们用凑微分
直接就可以写成ln(u+2e^u)
这一边我们可以写成
是个-lny 这面我们为了
把他变得更简单
我们那个系数就是加上lnC
也就是这一边应该就是一个ln(C/y)
最后我们把这个对数符号去掉
就得到了(u+2e^u)=C/y
我们最后的结果
就是把u用x/y再带进去
就会得到我们最后那个隐式解
应该就是x/y
再加上2e^(x/y)
这面应该就等于C/y
这个就是我们得到的一个隐式解
当然请大家注意一下
我们在这里做积分的时候
实际上我没有讨论
这个分母是大于0小于0的
我直接写成了他的自然对数
也就是说我只做出了
这个大于0的原函数
一样我这个地方考虑的
只考虑的是y>0的情况
如果y<0的时候
我想大家也会讨论
当然大家 为了保险起见
有的同学习惯总是带着绝对值
也是可以的
但我想如果带着绝对值的时候
到了最后是不还应该讨论下
绝对值怎么去掉
实际上我刚才已经强调过
在微分方程的求解过程中
如果方法类似
那你只讨论其中一段上的解
也是可以的
只要在讨论定解问题时
能够把初值点
包含在你讨论的这一段上就可以了
-第一节 多元连续函数
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--二重极限的例题
--二次极限的定义
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-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
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--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
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-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
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-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
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-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
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--极值点的判别法
--极值问题举例
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--条件极值问题举例
--最小二乘法
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--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
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--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
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--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
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-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
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--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
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-- 广义含参积分的一致收敛性
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-第四章 向量分析--第二节 练习题
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--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
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--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
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--变量分离方程
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-第五章 常微分方程--第三节 练习题
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-第五章 常微分方程--第四节 练习题