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) > 一阶线性微分方程的解法
好 前面我们介绍了一阶线性方程
它的概念和解的性质
接下来
我们介绍一下
如何求解一阶线性微分方程
我们先看一下
一阶线性齐次方程的求解法
实际上我们解它的时候
就是用分离变量
因为所谓的一阶线性齐次方程
它的标准形式也就是
y一撇加上p x倍的y等于零
那我们对它转移一下
就是在y不等于零时
也就是它会变成dy除上y等于负的pxdx
在这个方程里面
我们知道已经是变量分离的了
所以两边做不定积分
那我们最后处理完之后
可以写成是y等于e的负的pxdx
最后有一个系数
如果我们放在前面
这个c在这种条件下是不等零的
但是大家知道y恒等于零也满足方程
所以我们最后得到的
一阶线性齐次方程
它的通解应该写成这个样子
c乘上e的负的pxdx
其中在这个表达式里面
c就是任意常数
而我们这里有一个不定积分的记号
但在这个表达式里面
我们这个不定积分的记号
pxdx只表示一个原函数
也就是它表示的是
px的一个原函数
我们用这个记号来表示
里面不再带有积分常数
因为我们 通解里面的常数
已经处理到这个地方来了
所以
这是那个一阶线性齐次方程
它的解法
在这个求解过程里面
大家用变量分离的方法去做就可以了
得到的就是这个形式
接下来我们看一下一阶线性非齐次方程
它的求解法
也就是一阶线性非齐次方程它的解法
它的解法
我们一般是用
所谓的变动任意常数法
变动任意常数法
什么是变动任意常数法
因为对一个一阶线性非齐次方程来说
它当然
就对应着一个一阶线性齐次方程
前面我们刚说过
对一个一阶线性齐次方程来说
我们是可以通过变量分离方程的解法
得到它的解
所以我们就假设
设我这个vx
就是这个方程y一撇
加上pxy等于零的解
这是我已知的一个函数
现在我利用这个函数
我来看这个非齐次方程的解
应该是什么
我就令ux乘上vx
这个乘积函数是我的yx
就 接下来说
如果yx可以写成这两个因子的乘积
而且还要满足y一撇加上pxy等于qx
说为什么这样想
因为vx是齐次方程的解
我们知道
如果c乘上vx的时候
它仍然满足齐次方程
也就是说如果我要把
vx乘上某一个数
想让它是非齐次方程的解的时候
这个数不能是常数
因为是常数的时候
它一定不是非齐次方程的解
所以一定要把这个常数
写成一个变量的形式
实际就是与x有关的一个函数
这样的时候
我才可能会提这个要求
也就是希望这个乘积能够满足
这个非齐次方程
那当然我们看
它能不能满足
如果满足的时候
我们这个因子
也就是ux应该满足什么条件
如果这样子的时候
大家看
y一撇就等于v一撇
u一撇v再加上u v一撇
然后我代到这个关系式里面去
它就会得到
u一撇v再加上u v一撇
加上px倍的uv
应该是等于qx
在这里面我们把这两个
ux提出来
就是v一撇加上pxv
v应该是满足这个方程的
所以说这项应该是等零的
这样我们就得到了
u一撇乘上v应该等于qx
也就是u一撇应该等于qx
乘上v的倒数
因为qx是右端项
是已知的
vx我们说它是齐次方程的解
也是已知的
这样我们就得到了ux的导数
自然我们两边做积分
就会得到
ux应该等于
qx乘上v它的倒数dx
如果跟齐次方程的通解里面一样
我仅仅把这个积分
当成是一个原函数的时候
那么我把那个任意常数加在后面
这样我就得到了
ux应该是满足这个表达式
这样子的时候
我的原来
非齐次方程的解
y应该就是ux乘上v
所以说我的通解
y应该就等于
括号里面
就是C写到前面来
加上qx乘上v的倒数
dx括起来
再乘上vx
实际上
如果我们知道了
它对应的齐次方程的一个解vx
最后我们就知道
这个表达式对应的函数
就满足这个非齐次方程
这就得到了非齐次方程的通解
在这里面
我们整个的想法
就是在这
让这个常数
当成一个变数
所谓的变动任意常数法
就是指的要把这个常数
当成一个变量来处理
这种方法实际就是我们说的
求解一阶线性非齐次方程的变动任意常数法
当然 一般的
我们这个vx直接就取成
vx就等于e的负的pxdx
就取一个具体的
这时候
我们把vx代入这个通解表达式
我们就会得到
yx应该就等于
我放到前面去
e的负的pxdx
这里面是c加上qx
这边就是e的pxdx dx
也就是这个表达式里面只牵扯到了
我们这个
一阶线性非齐次方程里面的
系数函数和右端项函数
实际上
这是在微积分课程里面
我们使用的
一阶线性非齐次方程的通解公式
也就是解阶线性非齐次方程的时候
你把它写成标准形式
相应的得到了px和qx
我们不见得对每一个方程
每一次都去走这个求解过程
我们只要用这个结果就行了
在这里面
这些积分表示的都是一个原函数
最后我们看几个简单例题
第一个例题
说我们要求解y一撇
减掉x+1分之2y等于
x加1的二分之五次方
这个函数
大家一看
未知函数和它的导数都是一次方
而且只有一阶导数出现
所以说
这是一个一阶线性微分方程
而且在这里面
我们已经写成了标准形式
相应的也就是
px和qx我们都知道
所以说
解这个方程的时候
大家可以直接用这个通解公式
它的通解
yx应该等于e的负px的一个原函数
也就x+1分之2它的一个原函数
这边乘上c加上q
就是x加1的二分之五次方
这面乘上e的p的一个原函数
p是负的x+1分之二
所以这应该就是负的x+1分之二dxdx
这就是针对这个具体函数
我们用通解表达式得到的结果
最后我们把这个积分积出来
这个一积的时候
出来的应该是
x+1平方
这面
c不动
这个积分积一下
积一下以后应该出来的是
x+1括起来平方分之一
跟这个一消掉
所以这应该是加上一个
x+1它的二分之一次方dx
那大家再把这个积分做一下
这相当于是一个根下u的积分
根下u的积分大家当然知道
应该是三分之二倍的u的二分之三次方
就会得到我们最后的结果
剩下的一步
请同学们做练习写出来
我想这是这个题目
接下来我们来看第二个例题
第二个例题
我们求解这个微分方程
也就是
y一撇加上y乘上tanx减掉cosx等于零
实际上
我们的未知函数
和未知函数的一阶导数
也都是一次方
所以说
这当然是个一阶线性微分方程
但是
它这个并不是标准形式
所以我们做这个问题的时候
我们要把这个方程变成标准形式
也就是等于cosx
这样一写的时候
我们利用它那个通解公式
就会得到yx应该等于
就是e的px是tanx
所以说负px
也就是负tanx的一个原函数
这面再乘上c
加上qx
实际就是cosx
再乘上 e的px是tanx
所以说
这面就是tanx的一个原函数
再做原函数
最后我们看一下这个结果
这个就是负的tan
负的tan就是说
它的原函数
应该是ln(cosx)
所以说ln(cosx)再做指数
这应该就是cosx
这面乘上括号里面
c加上 这面tanx
tanx就是说
它的原函数应该是负的ln(cosx)
负的ln(cosx)可理解成ln(cosx)分之一
再取指数
跟这个cosx正好消掉
所以说这里面应该出来的是这个形式
这就是我们这个微分方程
它最后的解的形式
这是第二个例子
接下来我们看最后一个例子
也就是我们求一求这个
y一撇等于两倍x减y方分之一
现在我们写的形式
未知函数是y
自变量是x
这时候 大家注意一下
未知函数这个地方有分数运算
还有平方运算
它当然不能叫线性微分方程
同时我们想一想
如果把y就当成x的函数的时候
它肯定也不是变量分离的
也不是我们前面曾经介绍过的
能够通过变量替换
变成我们可求解的情况
实际上 这个方程
如果我们把x做自变量
y做因变量的时候
到现在为止
我们并不会求解这个方程
但是大家注意一下
如果我把y作为自变量
x作为函数值的时候
这个y关于x的导数
自然就是x关于y的导数的倒数
这个时候这个方程就变成了
x一撇 我给它解过来
减掉两倍的x
这面应该就等于负y方
那么把x当成函数值的时候
那么 函数值
和函数值的一阶导数
都出现的是一次方
这就是一个一阶线性微分方程
而且它的py和qy
表达式都是很简单的
所以我们就可以利用空间公式
写出它的通解
就是负px的一个原函数
p是-2 那-p就是2
它的原函数当然就是2y
所以e的2y次方
这里面是c加上
括号里面是负的y方
再乘上e的
p的一个 一个原函数
p是-2
所以它的一个原函数
是e的负的2y次方dy
写到这 大家知道
这里面最大的计算量
实际上就是问
我们会不会做
y方乘上e的-2ydy
这个原函数
这应该是典型的分部积分法
我们通过两次分部积分法
就会得到它的一个原函数
也就是说我们通过把xy转换角色
就是说
自变量因变量互调
把一个我们不会求解的方程
变成了一个很简单的
一阶线性非齐次方程
我想这是在我们求解方程时
经常碰到的一种处理方法
实际上
因为我们找的主要就是xy的代数关系
至于 你把谁做自变量
谁把 谁做因变量
应该这不是本质的
本质的是说
我能不能把里面的
导数运算或者是微分运算给它去掉
只变成有代数运算的关系式
-第一节 多元连续函数
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