第 10 讲:常微分方程

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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+2y3y=exy''+2y'-3y=e^x

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。

nn 阶方程通常需要 nn 个独立初始条件,例如

y(x0)=y0,y(x0)=y1.y(x_0)=y_0,\qquad y'(x_0)=y_1.

解出后应代回原方程,并核对定义区间。

可分离变量方程

dydx=f(x)g(y),\frac{dy}{dx}=f(x)g(y),

且暂时假设 g(y)0g(y)\ne0,可写为

dyg(y)=f(x)dx.\frac{dy}{g(y)}=f(x)\,dx.

两边积分:

dyg(y)=f(x)dx.\int\frac{dy}{g(y)} =\int f(x)\,dx.

不要漏掉常值解

分离时除以 g(y)g(y),会丢掉满足 g(y)=0g(y)=0 的常值解。因此标准步骤是:

  1. 先解 g(y)=0g(y)=0,记录常值解;
  2. 再在 g(y)0g(y)\ne0 的分支上分离变量。

例:

y=y(1y).y'=y(1-y).

常值解有 y=0y=0y=1y=1。非平衡解满足

dyy(1y)=dx,\frac{dy}{y(1-y)}=dx,

积分得

lny1y=x+C.\ln\left|\frac{y}{1-y}\right|=x+C.

齐次一阶方程

形如

y=F(yx)y'=F\left(\frac yx\right)

的方程令

u=yx,y=ux,u=\frac yx,\qquad y=ux,

y=u+xu.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/xy/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=0M(x,y)\,dx+N(x,y)\,dy=0

M,NM,N 是同次齐次函数,也可用 y=uxy=uxx=vyx=vy

一阶线性方程

标准形式:

y+P(x)y=Q(x).y'+P(x)y=Q(x).

取积分因子

μ(x)=eP(x)dx.\mu(x)=e^{\int P(x)\,dx}.

乘到方程两边:

μy+μPy=μQ.\mu y'+\mu Py=\mu Q.

由于 μ=μP\mu'=\mu P,左边变成

(μy)=μQ.(\mu y)'=\mu Q.

积分得到

y=ePdx(C+QePdxdx).y=e^{-\int P\,dx} \left(C+\int Qe^{\int P\,dx}\,dx\right).

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+1xy=x,x>0.y'+\frac1xy=x,\qquad x>0.

积分因子

μ=edx/x=x.\mu=e^{\int dx/x}=x.

于是

(xy)=x2,(xy)'=x^2, y=x23+Cx.y=\frac{x^2}{3}+\frac Cx.

Bernoulli 方程

y+P(x)y=Q(x)yα,α0,1.y'+P(x)y=Q(x)y^\alpha, \qquad \alpha\ne0,1.

z=y1α.z=y^{1-\alpha}.

将原式乘以 yαy^{-\alpha} 后,利用

z=(1α)yαyz'=(1-\alpha)y^{-\alpha}y'

可化成关于 zz 的一阶线性方程。

同样要检查 y=0y=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).y''+P(x)y'+Q(x)y=f(x).

对应齐次方程为

y+P(x)y+Q(x)y=0.y''+P(x)y'+Q(x)y=0.

y1,y2y_1,y_2 是两个线性无关的齐次解,则齐次通解为

yh=C1y1+C2y2.y_h=C_1y_1+C_2y_2.

ypy_p 是非齐次方程的一个特解,则非齐次通解为

y=yh+yp.y=y_h+y_p.

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+f2f_1+f_2 时,可分别找特解 yp1,yp2y_{p1},y_{p2},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.y''+py'+qy=0.

试探 y=erxy=e^{rx},得到特征方程

r2+pr+q=0.r^2+pr+q=0.

两个不同实根

若根为 r1r2r_1\ne r_2

y=C1er1x+C2er2x.y=C_1e^{r_1x}+C_2e^{r_2x}.

重实根

若有二重根 rr

y=(C1+C2x)erx.y=(C_1+C_2x)e^{rx}.

第二个解多出的 xx 保证线性无关。

共轭复根

若根为

r=α±iβ,r=\alpha\pm i\beta,

则实通解为

y=eαx(C1cosβx+C2sinβx).y=e^{\alpha x} \left(C_1\cos\beta x+C_2\sin\beta x\right).

二阶常系数非齐次方程

y+py+qy=f(x).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)e^{\lambda x}P_m(x)

eλx(Pm(x)cosωx+Qn(x)sinωx)e^{\lambda x} \left(P_m(x)\cos\omega x+Q_n(x)\sin\omega x\right)

时,特解试探式保持同类形式。

若试探式与齐次解重复,就乘 xsx^s,其中 ss 是对应特征根的重数。

例如

y2y+y=ex.y''-2y'+y=e^x.

特征方程 (r1)2=0(r-1)^2=0exe^x 已对应二重根,因此不能试 AexAe^x,而应试

yp=Ax2ex.y_p=Ax^2e^x.

右端为和

f=f1+f2,f=f_1+f_2,

分别找 yp1y_{p1}yp2y_{p2},则

yp=yp1+yp2.y_p=y_{p1}+y_{p2}.

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,C2C_1,C_2。例如

y+y=0,y(0)=1, y(0)=0.y''+y=0,\qquad y(0)=1,\ y'(0)=0.

通解

y=C1cosx+C2sinx.y=C_1\cos x+C_2\sin x.

由初值得 C1=1,C2=0C_1=1,C_2=0,所以

y=cosx.y=\cos x.

分类清单

看到一阶方程先问:

  1. 能否写成 f(x)g(y)f(x)g(y)?可分离变量。
  2. 是否只依赖 y/xy/x?令 y=uxy=ux
  3. 是否是 y+Py=Qy'+Py=Q?一阶线性。
  4. 是否是 y+Py=Qyαy'+Py=Qy^\alpha?Bernoulli。

看到二阶常系数线性方程:

  1. 先解特征方程得到齐次通解;
  2. 根据右端选特解形式;
  3. 检查是否与齐次解重复;
  4. 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=Qy'+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 xx
  • 通解算完不代回检查,导致定义域、符号或系数错误。

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