微分方程不是直接告诉我们未知函数,而是告诉函数和它的导数之间应满足什么关系。解题的第一步不是积分,而是识别方程类型。
基本概念
含未知函数及其导数的方程叫微分方程。未知函数只有一个自变量时称常微分方程。
方程中出现的最高阶导数阶数叫方程的阶。例如
y′′+2y′−3y=ex
是二阶线性非齐次常微分方程。
能使方程成为恒等式的函数叫解。含有足够多个任意常数、描述一族解的表达式叫通解;给定初值后确定常数,得到特解。
n 阶方程通常需要 n 个独立初始条件,例如
y(x0)=y0,y′(x0)=y1.
解出后应代回原方程,并核对定义区间。
可分离变量方程
若
dxdy=f(x)g(y),
且暂时假设 g(y)=0,可写为
g(y)dy=f(x)dx.
两边积分:
∫g(y)dy=∫f(x)dx.
不要漏掉常值解
分离时除以 g(y),会丢掉满足 g(y)=0 的常值解。因此标准步骤是:
- 先解 g(y)=0,记录常值解;
- 再在 g(y)=0 的分支上分离变量。
例:
y′=y(1−y).
常值解有 y=0、y=1。非平衡解满足
y(1−y)dy=dx,
积分得
ln1−yy=x+C.
齐次一阶方程
形如
y′=F(xy)
的方程令
u=xy,y=ux,
则
y′=u+xu′.
代入后通常可分离变量。
这里的“齐次”指右端只依赖 y/x,与线性方程中右端为零的“齐次”不是同一个概念。
若方程形如
M(x,y)dx+N(x,y)dy=0
且 M,N 是同次齐次函数,也可用 y=ux 或
x=vy。
一阶线性方程
标准形式:
y′+P(x)y=Q(x).
取积分因子
μ(x)=e∫P(x)dx.
乘到方程两边:
μy′+μPy=μQ.
由于 μ′=μP,左边变成
(μy)′=μQ.
积分得到
y=e−∫Pdx(C+∫Qe∫Pdxdx).
公式不必死背,只要记住“选积分因子,使左边凑成乘积导数”。
例如
y′+x1y=x,x>0.
积分因子
μ=e∫dx/x=x.
于是
(xy)′=x2,
y=3x2+xC.
Bernoulli 方程
y′+P(x)y=Q(x)yα,α=0,1.
令
z=y1−α.
将原式乘以 y−α 后,利用
z′=(1−α)y−αy′
可化成关于 z 的一阶线性方程。
同样要检查 y=0 是否为被变换除法丢掉的解。
二阶线性方程解的结构
一般二阶线性方程:
y′′+P(x)y′+Q(x)y=f(x).
对应齐次方程为
y′′+P(x)y′+Q(x)y=0.
若 y1,y2 是两个线性无关的齐次解,则齐次通解为
yh=C1y1+C2y2.
若 yp 是非齐次方程的一个特解,则非齐次通解为
y=yh+yp.
原因是任意两个非齐次特解之差必满足齐次方程。
右端可分成 f1+f2 时,可分别找特解 yp1,yp2,再相加。这是线性方程的叠加原理。
二阶常系数齐次方程
y′′+py′+qy=0.
试探 y=erx,得到特征方程
r2+pr+q=0.
两个不同实根
若根为 r1=r2:
y=C1er1x+C2er2x.
重实根
若有二重根 r:
y=(C1+C2x)erx.
第二个解多出的 x 保证线性无关。
共轭复根
若根为
r=α±iβ,
则实通解为
y=eαx(C1cosβx+C2sinβx).
二阶常系数非齐次方程
y′′+py′+qy=f(x).
先求齐次通解,再找一个特解。
待定系数法
当右端是
eλxPm(x)
或
eλx(Pm(x)cosωx+Qn(x)sinωx)
时,特解试探式保持同类形式。
若试探式与齐次解重复,就乘 xs,其中 s 是对应特征根的重数。
例如
y′′−2y′+y=ex.
特征方程 (r−1)2=0,ex 已对应二重根,因此不能试
Aex,而应试
yp=Ax2ex.
右端为和
若
f=f1+f2,
分别找 yp1、yp2,则
yp=yp1+yp2.
不要把每个特解各自的任意常数带入;任意常数只属于齐次通解。
初值问题
得到通解后代入初始条件解 C1,C2。例如
y′′+y=0,y(0)=1, y′(0)=0.
通解
y=C1cosx+C2sinx.
由初值得 C1=1,C2=0,所以
y=cosx.
分类清单
看到一阶方程先问:
- 能否写成 f(x)g(y)?可分离变量。
- 是否只依赖 y/x?令 y=ux。
- 是否是 y′+Py=Q?一阶线性。
- 是否是 y′+Py=Qyα?Bernoulli。
看到二阶常系数线性方程:
- 先解特征方程得到齐次通解;
- 根据右端选特解形式;
- 检查是否与齐次解重复;
- 最后代初值。
易错点
- 分离变量前忘记检查被除掉的零点解。
- 积分后漏任意常数。
- 一阶线性方程没有先化成 y′+Py=Q 的标准形式。
- 把一阶“齐次型”和线性齐次方程混为一谈。
- 待定系数试探式与齐次解重复却没乘 x。
- 通解算完不代回检查,导致定义域、符号或系数错误。