微分方程公式运用表

微分方程公式运用表
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一、 一阶微分方程 判断特征:

(,)dy f x y dx = 类型一:()()dy g x h y dx

=(可分离变量的方程) 解法(分离变量法):

()()dy g x dx h y =,然后两边同时积分。 类型二:()()dy P x y Q x dx

+=(一阶线性方程) 解法(常数变易法):()()(())P x dx P x dx y e C Q x e dx -??=+? 类型三:

(,)(,)dy f x y f tx ty dx

==(一阶齐次性方程) 解法(换元法):y u x

=?令类型一 类型四:P()y=Q(x)y n dy x dx

+(伯努利方程) 解法(同除法):1()()n n dy y P x y Q x dx --+=?类型二 二、 可降阶的高阶微分方程

类型一:()()n y f x = 解法(多次积分法):(1)()()n du u y f x f x dx

-=?

=?令多次积分求 类型二:''(,')y f x y = 解法:'(,)dp p y f x p dx =?=?令一阶微分方程 类型三:''(,')y f y y = 解法:'(,)dp dp dy dp p y p f y p dx dy dx dy

=?==??令类型二 三、线性微分方程

类型一:''()'()0y P x y Q x y ++=(二阶线性齐次微分方程) 解法:找出方程的两个任意线性不相关特解:12(),()y x y x

则:1122()()()y x c y x c y x =+

类型二:''()'()()y P x y Q x y f x ++=(二阶线性非齐次微分方程) 解法:先找出对应的齐次微分方程的通解:31122()()()y x c y x c y x =+ 再找出非齐次方程的任意特解()p y x ,则:1122()()()()p y x y x c y x c y x =++ 类型三:'''0y py q ++=(二阶线性常系数齐次微分方程) 解法(特征方程法):22

1,2402p p q p q λλλ-±-++=?= (一)122121240x x p q y c e c e λλλλ?=->?≠?=+ (二)12120()x y c c x e λλλλ?=?==?=+ (三)12120,(cos sin )x i i y e c x c x αλαβλαβββ?

(1)()()x m f x P x e α= 型:先找出对应齐次微分方程的通解3()y x

0()()12k x p m k y x x e Q x k k αααα=???==??=?

不是特征方程的根,是特征方程的单根,是特征方程的二重根,

其中令1()m m m Q x Ax Bx -=++ ,将()p y x 带入方程求出A,B,C 3()()p y y x y x ?=+

(2)[]()()cos ()sin x m l f x e P x x P x x αββ=+型:先找出对应齐次微分方程的

通解3()y x

[]{}max ,()()()()cos ()sin 0

1k x n

n p n n n m l Q x R x y x x e Q x x R x x i k i k αββαβαβ=????=+?±=??±=?

与是待定的n 次多项式若不是特征方程的根,若是特征方程的根, 利用待定系数求出()p y x ,则:3()()p y y x y x =+

二次微分方程的通解

第六节 二阶常系数齐次线性微分方程 教学目的:使学生掌握二阶常系数齐次线性微分方程的解法,了解二阶常系数非齐 次线性微分方程的解法 教学重点:二阶常系数齐次线性微分方程的解法 教学过程: 一、二阶常系数齐次线性微分方程 二阶常系数齐次线性微分方程 方程 y py qy 0 称为二阶常系数齐次线性微分方程 其中p 、q 均为常数 如果y 1、y 2是二阶常系数齐次线性微分方程的两个线性无关解 那么y C 1y 1C 2y 2就是它的通解 我们看看 能否适当选取r 使y e rx 满足二阶常系数齐次线性微分方程 为此将 y e rx 代入方程 y py qy 0 得 (r 2 pr q )e rx 0 由此可见 只要r 满足代数方程r 2 pr q 0 函数y e rx 就是微分方程的解 特征方程 方程r 2 pr q 0叫做微分方程y py qy 0的特征方程 特征方程 的两个根r 1、r 2可用公式 2 422,1q p p r -±+-= 求出 特征方程的根与通解的关系 (1)特征方程有两个不相等的实根r 1、r 2时 函数x r e y 11=、x r e y 22=是方程的两个线性无 关的解

这是因为 函数x r e y 11=、x r e y 22=是方程的解 又x r r x r x r e e e y y )(212121-==不是常数 因此方程的通解为 x r x r e C e C y 2121+= (2)特征方程有两个相等的实根r 1r 2时 函数x r e y 11=、x r xe y 12=是二阶常系数齐次线性微分方程的两个线性无关的解 这是因为 x r e y 11=是方程的解 又 x r x r x r x r x r x r qxe e xr p e xr r xe q xe p xe 111111)1()2()()()(1211++++=+'+'' 0 )()2(121111=++++=q pr r xe p r e x r x r 所以x r xe y 12=也是方程的解 且 x e xe y y x r x r ==1112不是常数 因此方程的通解为 x r x r xe C e C y 1121+= (3)特征方程有一对共轭复根r 1, 2i 时 函数y e ( i )x 、y e (i )x 是微分方程的 两个线性无关的复数形式的解 函数y e x cos x 、y e x sin x 是微分方程的两个线性无关 的实数形式的解 函数y 1e ( i )x 和y 2e (i )x 都是方程的解 而由欧拉公式 得 y 1e ( i )x e x (cos x i sin x ) y 2e ( i )x e x (cos x i sin x ) y 1y 22e x cos x ) (2 1cos 21y y x e x +=βα y 1y 22ie x sin x ) (21sin 2 1y y i x e x -= βα 故e x cos x 、y 2e x sin x 也是方程解 可以验证 y 1e x cos x 、y 2e x sin x 是方程的线性无关解

微分方程公式运用表

微分方程公式运用表 一、 一阶微分方程 判断特征: (,)dy f x y dx = 类型一:()()dy g x h y dx =(可分离变量的方程) 解法(分离变量法): ()()dy g x dx h y =,然后两边同时积分。 类型二:()()dy P x y Q x dx +=(一阶线性方程) 解法(常数变易法):()()(())P x dx P x dx y e C Q x e dx -??=+? 类型三: (,)(,)dy f x y f tx ty dx ==(一阶齐次性方程) 解法(换元法):y u x =?令类型一 类型四:P()y=Q(x)y n dy x dx +(伯努利方程) 解法(同除法):1()()n n dy y P x y Q x dx --+=?类型二 二、 可降阶的高阶微分方程 类型一:()()n y f x = 解法(多次积分法):(1)()()n du u y f x f x dx -=? =?令多次积分求 类型二:''(,')y f x y = 解法:'(,)dp p y f x p dx =?=?令一阶微分方程 类型三:''(,')y f y y = 解法:'(,)dp dp dy dp p y p f y p dx dy dx dy =?==??令类型二 三、线性微分方程 类型一:''()'()0y P x y Q x y ++=(二阶线性齐次微分方程) 解法:找出方程的两个任意线性不相关特解:12(),()y x y x

则:1122()()()y x c y x c y x =+ 类型二:''()'()()y P x y Q x y f x ++=(二阶线性非齐次微分方程) 解法:先找出对应的齐次微分方程的通解:31122()()()y x c y x c y x =+ 再找出非齐次方程的任意特解()p y x ,则:1122()()()()p y x y x c y x c y x =++ 类型三:'''0y py q ++=(二阶线性常系数齐次微分方程) 解法(特征方程法):2 1,20p q λλλ++=?= (一)122121240x x p q y c e c e λλλλ?=->?≠?=+ (二)12120()x y c c x e λλλλ?=?==?=+ (三)12120,(cos sin )x i i y e c x c x αλαβλαβββ?

二次微分方程的通解

教学目的:使学生掌握二阶常系数齐次线性微分方程的解法,了解二阶常系数非齐 次线性微分方程的解法 教学重点:二阶常系数齐次线性微分方程的解法 教学过程: 一、二阶常系数齐次线性微分方程 二阶常系数齐次线性微分方程 方程 y py qy 0 称为二阶常系数齐次线性微分方程 其中p 、q 均为常数 如果y 1、y 2是二阶常系数齐次线性微分方程的两个线性无关解 那么y C 1y 1C 2y 2就是它的通解 我们看看 能否适当选取r 使y e rx 满足二阶常系数齐次线性微分方程 为此将 y e rx 代入方程 y py qy 0 得 (r 2 pr q )e rx 0 由此可见 只要r 满足代数方程r 2 pr q 0 函数y e rx 就是微分方程的解 特征方程 方程r 2 pr q 0叫做微分方程y py qy 0的特征方程 特征方程 的两个根r 1、r 2可用公式 2 422,1q p p r -±+-= 求出 特征方程的根与通解的关系 (1)特征方程有两个不相等的实根r 1、r 2时 函数x r e y 11=、x r e y 22=是方程的两个线性无 关的解 这是因为

函数x r e y 11=、x r e y 22=是方程的解 又x r r x r x r e e e y y )(212121-==不是常数 因此方程的通解为 x r x r e C e C y 2121+= (2)特征方程有两个相等的实根r 1r 2时 函数x r e y 11=、x r xe y 12=是二阶常系数齐次线性微分方程的两个线性无关的解 这是因为 x r e y 11=是方程的解 又 x r x r x r x r x r x r qxe e xr p e xr r xe q xe p xe 111111)1()2()()()(1211++++=+'+'' 0 )()2(121111=++++=q pr r xe p r e x r x r 所以x r xe y 12=也是方程的解 且x e xe y y x r x r ==1112不是常数 因此方程的通解为 x r x r xe C e C y 1121+= (3)特征方程有一对共轭复根r 1, 2i 时 函数y e ( i )x 、y e (i )x 是微分方程的 两个线性无关的复数形式的解 函数y e x cos x 、y e x sin x 是微分方程的两个线性无关 的实数形式的解 函数y 1e ( i )x 和y 2e (i )x 都是方程的解 而由欧拉公式 得 y 1e ( i )x e x (cos x i sin x ) y 2e ( i )x e x (cos x i sin x ) y 1y 22e x cos x ) (2 1cos 21y y x e x +=βα y 1y 22ie x sin x ) (21sin 21y y i x e x -=βα 故e x cos x 、y 2e x sin x 也是方程解 可以验证 y 1e x cos x 、y 2e x sin x 是方程的线性无关解 因此方程的通解为

MATLAB求解常微分方程数值解

利用MATLAB求解常微分方程数值解

目录 1. 内容简介 (1) 2. Euler Method(欧拉法)求解 (1) 2.1. 显式Euler法和隐式Euler法 (2) 2.2. 梯形公式和改进Euler法 (3) 2.3. Euler法实用性 (4) 3. Runge-Kutta Method(龙格库塔法)求解 (5) 3.1. Runge-Kutta基本原理 (5) 3.2. MATLAB中使用Runge-Kutta法的函数 (7) 4. 使用MATLAB求解常微分方程 (7) 4.1. 使用ode45函数求解非刚性常微分方程 (8) 4.2. 刚性常微分方程 (9) 5. 总结 (9) 参考文献 (11) 附录 (12) 1. 显式Euler法数值求解 (12) 2. 改进Euler法数值求解 (12) 3. 四阶四级Runge-Kutta法数值求解 (13) 4.使用ode45求解 (14)

1.内容简介 把《高等工程数学》看了一遍,增加对数学内容的了解,对其中数值解法比较感兴趣,这大概是因为在其它各方面的学习和研究中经常会遇到数值解法的问题。理解模型然后列出微分方程,却对着方程无从下手,无法得出精确结果实在是让人难受的一件事情。 实际问题中更多遇到的是利用数值法求解偏微分方程问题,但考虑到先从常微分方程下手更为简单有效率,所以本文只研究常微分方程的数值解法。把一个工程实际问题弄出精确结果远比弄清楚各种细枝末节更有意思,因此文章中不追求非常严格地证明,而是偏向如何利用工具实际求解出常微分方程的数值解,力求将课程上所学的知识真正地运用到实际方程的求解中去,在以后遇到微分方程的时候能够熟练运用MATLAB得到能够在工程上运用的结果。 文中求解过程中用到MATLAB进行数值求解,主要目的是弄清楚各个函数本质上是如何对常微分方程进行求解的,对各种方法进行MATLAB编程求解,并将求得的数值解与精确解对比,其中源程序在附录中。最后考察MATLAB中各个函数的适用范围,当遇到实际工程问题时能够正确地得到问题的数值解。 2.Euler Method(欧拉法)求解 Euler法求解常微分方程主要包括3种形式,即显式Euler法、隐式Euler法、梯形公式法,本节内容分别介绍这3种方法的具体内容,并在最后对3种方法精度进行对比,讨论Euler法的实用性。 本节考虑实际初值问题 使用解析法,对方程两边同乘以得到下式

常微分方程数值解

第四章常微分方程数值解 [课时安排]6学时 [教学课型]理论课 [教学目的和要求] 了解常微分方程初值问题数值解法的一些基本概念,如单步法和多步法,显式和隐式,方法的阶数,整体截断误差和局部截断误差的区别和关系等;掌握一阶常微分方程初值问题的一些常用的数值计算方法,例如欧拉(Euler)方法、改进的欧拉方法、龙贝-库塔(Runge-Kutta)方法、阿达姆斯(Adams)方法等,要注意各方法的特点及有关的理论分析;掌握构造常微分方程数值解的数值积分的构造方法和泰勒展开的构造方法的基本思想,并能具体应用它们导出一些常用的数值计算公式及评估截断误差;熟练掌握龙格-库塔(R-K)方法的基本思想,公式的推导,R-K公式中系数的确定,特别是能应用“标准四阶R-K公式”解题;掌握数值方法的收敛性和稳定性的概念,并能确定给定方法的绝对稳定性区域。[教学重点与难点] 重点:欧拉方法,改进的欧拉方法,龙贝-库塔方法。 难点:R—K方法,预估-校正公式。 [教学内容与过程] 4.1 引言 本章讨论常微分方程初值问题 (4.1.1) 的数值解法,这也是科学与工程计算经常遇到的问题,由于只有很特殊的方程能用解析方法求解,而用计算机求解常微分方程的初值问题都要采用数值方法.通常我们假定(4.1.1)中 f(x,y)对y满足Lipschitz条件,即存在常数L>0,使对,有 (4.1.2) 则初值问题(4.1.1)的解存在唯一. 假定(4.1.1)的精确解为,求它的数值解就是要在区间上的一组离散点 上求的近似.通常取 ,h称为步长,求(4.1.1)的数值解是按节点的顺序逐步 推进求得.首先,要对方程做离散逼近,求出数值解的公式,再研究公式的局部截

二阶常系数齐次线性微分方程的通解证明教学提纲

二阶常系数齐次线性微分方程的通解证明

二阶常系数齐次线性微分方程的通解证明 来源:文都教育 在考研数学中,微分方程是一个重要的章节,每年必考,其中的二阶常系数齐次线性微分方程是一个基本的组成部分,它也是求解二阶常系数非齐次线性微分方程的基础,但很多同学对其求解公式不是十分理解,做题时也感到有些困惑,为了帮助大家对其通解公式有更深的理解和更牢固的掌握,文都网校的蔡老师下面对它们进行一些分析和简捷的证明,供考研的朋友们学习参考。 一、二阶常系数齐次线性微分方程的通解分析 通解公式:设0y py qy '''++=,,p q 为常数,特征方程02=++q p λλ的特征根为 12,λλ,则 1)当12λλ≠且为实数时,通解为1212x x y C e C e λλ=+; 2)当12λλ=且为实数时,通解为1112x x y C e C xe λλ=+; 3)当12,i λλαβ=±时,通解为12(cos sin )x y e C x C x αββ=+; 证:若02=++q p λλ的特征根为12,λλ,则1212(),p q λλλλ=-+ =,将其代入方程0y py qy '''++=中得1212()y py qy y y y λλλλ''''''++=-++= 212212()()()0y y y y y y y y λλλλλλ'''''''=---=---=, 令2z y y λ'=-,则11110x dz z z z z c e dx λλλ'-=? =?=,于是121x y y c e λλ'-=,由一阶微分方程的通解公式得 221212()()()1212[][]dx dx x x x y e c e e dx C e c e dx C λλλλλλ----??=+=+?? (1)

常微分方程教材

第九章 微分方程 一、教学目标及基本要求 (1) 了解微分方程及其解、通解、初始条件和特解的概念。 (2) 掌握变量可分离的方程和一阶线性方程的解法,会解齐次方程。 (3) 会用降阶法解下列方程:),(),,(),()(y y f y y x f y x f y n '='''=''=。 (4) 理解二阶线性微分方程解的性质以及解的结构定理。 (5) 掌握二阶常系数齐次线性微分方程的解法,并会解某些高于二阶的常系数齐次线性微分方程。 (6) 会求自由项多项式、指数函数、正弦函数、余弦函数,以及它们的和与二阶常系数非齐次线性微分方程的 特解和通解。 (7) 会用微分方程解决一些简单的应用问题。 二、本章教学内容的重点和难点 1、理解和熟悉微分方程的一些基本概念; 2、掌握一阶和高阶微分方程的各种初等积分法; 3、熟悉线性方程的基础理论,掌握常系数二阶线性齐次与非齐次方程的解法; 4、会列微分方程及其始值问题去解决实际问题。 三、本章教学内容的深化和拓宽: 1、分离变量法的理论根据; 2、常用的变量代换; 3、怎样列微分方程解应用题; 4、黎卡提方程; 5、全微分方程的推广; 6、二阶齐次方程; 7、高阶微分方程的补充; 8、求线性齐次方程的另一个线性无关的解; 9、求线性非齐次方程的一个特解; 10、常数变易法。 本章的思考题和习题 解下列方程(第1-6题) 1、2)0(,)1(==+'+y x y y x 2、()[]f dx x f e e x f x x x ,)(02?+=可微 3、212 22sin 22sin 1X e y x y y x ++='?+ 4、0)3(24=+-xydx dy x y 5、21)0(,1)0(,022- ='=='+''y y y x y 6、2y y y x y '-'+'= 7、已知可微函数)(x f 满足 ?-=+x x f f x f x x f dx x f 12)()1(,1)()()(和求; 8、已知)(,,1)(2 1)(10x f f x f da ax f 求可微+= ?; 9、求与曲线族C y x =+2232相交成ο45角的曲线; 10、一容器的容积为100L ,盛满盐水,含10kg 的盐,现以每分钟3L 的速度向容器内注入淡水冲淡盐水,又以同样的速度将盐水抽入原先盛满淡水的同样大小的另一容器内,多余的水便从容器内流出,问经过多少时间,两容器内的含盐量相等?

常微分方程计算

实验八 常微分初值问题的数值解法 8.1实验目的 ① 掌握常微分方程数值解的常用算法; ② 培养编程与上机调试能力. 8.2算法描述 8.2.1改进欧拉法 求解 '0 ()(,)()()y x f x y a x b y a y ?=≤≤?=? 对给定的(,)f x y ,用改进的欧拉公式 1111()[()()]2 n n n n n n n n n n y y hf x y h y y f x y f x y ++++=++???=++++??求解常微分方程初值问题的解. 8.2.2四阶龙格-库塔法 对上述给定的(,)f x y ,用四阶龙格-库塔法求解常微分方程初值问题 112341213243(22)6(,) 11(,)2211(,)22(,)n n n n n n n n n n h y y k k k k k f x y k f x h y hk k f x h y hk k f x h y hk +?=++++??=???=++???=++??=++?? 8.3实验题目 (1) 用改进的欧拉公式,求解常微分方程初值问题的解 20.10.4(0)1 dy y x dx y ?=?≤≤??=? (2) 用四阶龙格-库塔公式解初值问题: / 2.0 2.6,0.2(2.0)1dy x y x h dx y ?=?≤≤=??=?

8.4实验要求 (1)选择一种计算机语言设计出改进欧拉法和四阶龙格-库塔法方法求解常微分方程初值问题的程序,观察运行结果. (2)利用Matlab求解常微分方程初值问题 函数dsolve()用于求解微分方程.Dy表示:dy/dt(t 为缺省的自变量),Dny表示y对t 的n阶导数. Matlab6.1环境下操作如下: >> y=dsolve('Dy=y*y','y(0)=1') %求解题目1 >> y=dsolve('Dy=y/t','y(2.0)=1') %求解题目2 (3)利用最小二乘法拟合通过改进欧拉法求出微分方程的一系列数值解的近似函数方程.并利用Matlab的绘图功能画出函数的曲线 8.5思考 一阶微分方程初值问题有哪些数值解法?比较各种方法的优缺点并举具体例子说明之?

高阶线性微分方程常用解法简介

高阶线性微分方程常用解法简介 摘要:本文主要介绍高阶线性微分方程求解方法,主要的内容有高阶线性微分方程求解的常 用方法如。 关键词:高阶线性微分方程 求解方法 在微分方程的理论中,线性微分方程是非常值得重视的一部分内容,这不仅 因为线性微分方程的一般理论已被研究的十分清楚,而且线性微分方程是研究非线性微分方程的基础,它在物理、力学和工程技术、自然科学中也有着广泛应用。下面对高阶线性微分方程解法做一些简单介绍. 讨论如下n 阶线性微分方程:1111()()()()n n n n n n d x d x dx a t a t a t x f t dt dt dt ---++++= (1),其中()i a t (i=1,2,3, ,n )及f(t)都是区间a t b ≤≤上的连续函数,如果 ()0f t ≡,则方程(1)变为 1111()()()0n n n n n n d x d x dx a t a t a t x dt dt dt ---++++= (2),称为n 阶齐次线性微分方程,而称一般方程(1)为n 阶非齐次线性微分方程,简称非齐次线性微分方程,并且把方程(2)叫做对应于方程(1)的齐次线性微分方程. 1.欧拉待定指数函数法 此方法又叫特征根法,用于求常系数齐次线性微分方程的基本解组。形如 111121[]0,(3),n n n n n n n d x d x dx L x a a a x dt dt dt ---≡++++= 其中a a a 为常数,称为n 阶常系数齐次线性微分方程。 111111111111[]()()()n t n t t t t n n n n n n n t t n n n n n n n d e d e de L e a a a e dt dt dt a a a e F e F a a a n λλλλλλλλλλλλλλλλ---------≡++++=++++≡≡++++ 其中=0(4)是的次多项式. ()F λ为特征方程,它的根为特征根. 1.1特征根是单根的情形 设12,,,n λλλ 是特征方程111()0n n n n F a a a λλλλ--≡++++= 的n 个彼此不相等的根,则应相应地方程(3)有如下n 个解:12,,,.n t t t e e e λλλ (5)我们指出这n 个解在区间a t b ≤≤上线性无关,从而组成方程的基本解组. 如果(1,2,,)i i n λ= 均为实数,则(5)是方程(3)的n 个线性无关的实值解,而方程(3)的通解可表示为1212,n t t t n x c e c e c e λλλ=+++ 其中12,,,n c c c 为任意常数. 如果特征方程有复根,则因方程的系数是实常数,复根将称对共轭的出现.

几类三阶常微分方程的通解公式【开题报告】

毕业论文开题报告 数学与应用数学 几类三阶常微分方程的通解公式 一、选题的背景、意义 常微分方程是指包含一个自变量和它的未知函数以及未知函数的微分的等式。微分方程差不多是和微积分同时产生的,它的形成和发展是和力学、天文学、物理学,以及其他科学技术的发展密切相关。20世纪30年代中期法国数学家勒雷和绍尔建立了LeraySchauder度理论[1]。他们的方法用于研究线性微分、积分、泛函数方程时,取得了巨大成功。 常微分方程在很多学科领域内有着重要的作用,自动控制、各种电子学装置的设计、弹道的计算、飞机和导弹飞行的稳定性的研究、化学反应过程稳定性的研究等等,这些问题都可以归结为高阶微分方程的模型[1,2],或者化为研究解的性质的问题。很多物理与技术问题都可以化归为微分方程的求解问题。牛顿研究天体力学和机械力学的时候,利用了微分方程这个工具,从理论上得到了行星运动规律。后来,法国天文学家勒维烈和英国天文学家亚当斯使用微分方程各自计算出那时尚未发现的海王星的位置。这些都使数学家更加深信微分方程在认识自然、改造自然方面的巨大力量。 微分方程的理论逐步完善的时候,利用它就可以精确地表述事物变化所遵循的基本规律,只要列出相应的微分方程,就会有解方程的方法[3-5]。微分方程也就成了最有生命力的数学分支。常微分方程是数学分析或基础数学的一个组成部分,在整个数学大厦中占据着重要位置。 有关三阶常微分方程的求解研究已经取得了较为丰富的结果,下面对研究三阶常微分方程的通解详见文献[6-10]。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题 本文主要是对三阶常微分方程通解的研究,具体研究的基本内容与拟解决的主要问题如下: 问题1 如果已知三阶线性微分方程 ()()()() +++= y P x y Q x y R x y f x ''''''

二次微分方程的通解

二次微分方程的通解 Company number:【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】

第六节 二阶常系数齐次线性微分方程 教学目的:使学生掌握二阶常系数齐次线性微分方程的解法,了解二阶常系数非齐次线 性微分方程的解法 教学重点:二阶常系数齐次线性微分方程的解法 教学过程: 一、二阶常系数齐次线性微分方程 二阶常系数齐次线性微分方程 方程 ypyqy 0 称为二阶常系数齐次线性微分方程 其中p 、q 均为常数 如果y 1、y 2是二阶常系数齐次线性微分方程的两个线性无关解 那么yC 1y 1C 2y 2就是它的通解 我们看看 能否适当选取r 使ye rx 满足二阶常系数齐次线性微分方程 为此将ye rx 代入方程 ypyqy 0 得 (r 2prq )e rx 0 由此可见 只要r 满足代数方程r 2prq 0 函数ye rx 就是微分方程的解 特征方程 方程r 2prq 0叫做微分方程ypyqy 0的特征方程 特征方程的两个根r 1、r 2可用公式 求出 特征方程的根与通解的关系 (1)特征方程有两个不相等的实根r 1、r 2时 函数x r e y 11=、x r e y 22=是方程的两个线性无关的解 这是因为 函数x r e y 11=、x r e y 22=是方程的解 又x r r x r x r e e e y y )(21212 1-==不是常数 因此方程的通解为 x r x r e C e C y 2121+= (2)特征方程有两个相等的实根r 1r 2时 函数x r e y 11=、x r xe y 12=是二阶常系数齐次线性微分方程的两个线性无关的解 这是因为 x r e y 11=是方程的解 又

微分方程公式运用表

错误!未找到引用源。 微分方程公式运用表 一、 一阶微分方程 判断特征: (,)dy f x y dx = 类型一:()()dy g x h y dx =(可分离变量的方程) 解法(分离变量法): ()()dy g x dx h y =,然后两边同时积分。 类型二:()()dy P x y Q x dx +=(一阶线性方程) 解法(常数变易法):()()(())P x dx P x dx y e C Q x e dx -??=+? 类型三: (,)(,)dy f x y f tx ty dx ==(一阶齐次性方程) 解法(换元法):y u x =?令类型一 类型四:P()y=Q(x)y n dy x dx +(伯努利方程) 解法(同除法):1()()n n dy y P x y Q x dx --+=?类型二 二、 可降阶的高阶微分方程 类型一:()()n y f x = 解法(多次积分法):(1)()()n du u y f x f x dx -=? =?令多次积分求 类型二:''(,')y f x y = 解法:'(,)dp p y f x p dx =?=?令一阶微分方程 类型三:''(,')y f y y = 解法:'(,)dp dp dy dp p y p f y p dx dy dx dy =?==??令类型二 三、线性微分方程 类型一:''()'()0y P x y Q x y ++=(二阶线性齐次微分方程) 解法:找出方程的两个任意线性不相关特解:12(),()y x y x

则:1122()()()y x c y x c y x =+ 类型二:''()'()()y P x y Q x y f x ++=(二阶线性非齐次微分方程) 解法:先找出对应的齐次微分方程的通解:31122()()()y x c y x c y x =+ 再找出非齐次方程的任意特解()p y x ,则:1122()()()()p y x y x c y x c y x =++ 类型三:'''0y py q ++=(二阶线性常系数齐次微分方程) 解法(特征方程法):22 1,2402p p q p q λλλ-±-++=?= (一)122121240x x p q y c e c e λλλλ?=->?≠?=+ (二)12120()x y c c x e λλλλ?=?==?=+ (三)12120,(cos sin )x i i y e c x c x αλαβλαβββ?

常微分方程数值解法

第八章 常微分方程的数值解法 一.内容要点 考虑一阶常微分方程初值问题:?????==0 0)() ,(y x y y x f dx dy 微分方程的数值解:设微分方程的解y (x )的存在区间是[a,b ],在[a,b ]内取一系列节 点a= x 0< x 1<…< x n =b ,其中h k =x k+1-x k ;(一般采用等距节点,h=(b-a)/n 称为步长)。在每个节点x k 求解函数y(x)的近似值:y k ≈y(x k ),这样y 0 , y 1 ,...,y n 称为微分方程的数值解。 用数值方法,求得f(x k )的近似值y k ,再用插值或拟合方法就求得y(x)的近似函数。 (一)常微分方程处置问题解得存在唯一性定理 对于常微分方程初值问题:?????==0 0)() ,(y x y y x f dx dy 如果: (1) 在B y y A x x 00≤-≤≤,的矩形内),(y x f 是一个二元连续函数。 (2) ),(y x f 对于y 满足利普希茨条件,即 2121y y L y x f y x f -≤-),(),(则在C x x 0≤≤上方程?????==0 0)() ,(y x y y x f dx dy 的解存在且唯一,这里C=min((A-x 0),x 0+B/L),L 是利普希茨常数。 定义:任何一个一步方法可以写为),,(h y x h y y k k k 1k Φ+=+,其中),,(h y x k k Φ称为算法的增量函数。 收敛性定理:若一步方法满足: (1)是p 解的. (2) 增量函数),,(h y x k k Φ对于y 满足利普希茨条件. (3) 初始值y 0是精确的。则),()()(p h O x y kh y =-kh =x -x 0,也就是有 0x y y lim k x x kh 0h 0 =--=→)( (一)、主要算法 1.局部截断误差 局部截断误差:当y(x k )是精确解时,由y(x k )按照数值方法计算出来的1~ +k y 的误差y (x k+1)- 1~ +k y 称为局部截断误差。 注意:y k+1和1~ +k y 的区别。因而局部截断误差与误差e k +1=y (x k +1) -y k +1不同。 如果局部截断误差是O (h p+1),我们就说该数值方法具有p 阶精度。

求下列微分方程的通解

第一章 绪 论 例1-1 求下列微分方程2 3x dx dy =的通解,并分别求满足下列条件的特解。 (1)通过点)1,2(; (2)与直线x y =相切; (3)与直线13+-=x y 正交。 解 直接积分得方程的通解为C x y +=3。 (1)将代入通解中1,2==y x 得7-=C ,则通过点)1,2(解为73-=x y 。 (2)与直线x y =相切的解满足在切点处斜率相同,有132=x ,即得3 1± =x ,切 点坐标为)3 1, 3 1( 和)3 1,31(- - 。同(1)的解法,与直线x y =相切的解为 3 323 + =x y 和3 32 3- =x y 。 (3)与直线13+-=x y 正交的解在正交点处斜率满足3 132 =x ,即得3 1± =x ,正交 点坐标为)0,31 (和)2,3 1(- 。同(1)的解法所求方程的解为27 553 +=x y 和27 13 -=x y 。 评注:求方程满足某条件的特解,关键要找到所求积分曲线经过的某一特定点的坐标,代入通解中确定出任意常数即可得特解。 例1-2 求与曲线族x Ce y =正交的曲线族。 解 因为曲线族x Ce y =满足的微分方程为y y =',所以与曲线族x Ce y =正交的曲线族满足的微分方程为y y 1- =',解之得C x y +-=22 ,这就是所求曲线族方程。 评注:首先对已给定的曲线族求得其满足的微分方程,其次借助于正交性得到所求曲线族满足的微分方程,再求解此微分方程。有时直接给出一个微分方程,要求求得与此微分方程的积分曲线族正交(或夹角为某一固定值)的曲线族。 例1-3 求一曲线方程,使曲线上任一点平分过该点的法线在两坐标轴之间的线段。 解 设所求的曲线为)(x y y =,过曲线上任一点),(y x 的法线方程为

常微分方程常用数值解法.

第一章绪论 1.1 引言 常微分方程是现代数学的一个重要分支,是人们解决各种实际问题的有效工具。微分方程的理论和方法从17世纪末开始发展起来,很快成了研究自然现象的强有力工具,在17到18世纪,在力学、天文、科学技术、物理中,就已借助微分方程取得了巨大的成就。1864年Leverrer根据这个方程预见了海王星的存在,并确定出海王星在天空中的位置。现在,常微分方程在许多方面获得了日新月异的应用。这些应用也为常微分方程的进一步发展提供了新的问题,促使人们对微分方程进行更深入的研究,以便适应科学技术飞速发展的需要。 研究常微分方程常用数值解是数学工作者的一项基本的且重要的工作。在国内外众多数学家的不懈努力,使此学科基本上形成了一套完美的体系。微分方程的首要问题是如何求一个给定方程的通解或特解。到目前为止,人们已经对许多微分方程得出了求解的一般方法。由于在生产实际和科学研究中所遇到的微分方程问题比较复杂,使这些问题的解即使能求出解析表达式,也往往因计算量太大而难于求出,而对于一些典型的微分方程则可以运用基本方法求出其解析解,并可以根据初值问题的条件把其中的任意常数确定下来。 由于求通解存在许多困难,人们就开始研究带某种定解条件的特解。首先是Cauchy对微分方程初始解的存在惟一性进行了研究。目前解的存在惟一性、延拓性、大范围的存在性以及解对初始解和参数的延续性和可微性等理论问题都已发展成熟。与此同时,人们开始采取各种近似方法来求微分方程的特解,例如求微分方程数值解的Euler折线法、Runge-Kutta法等,可以求得若干个点上微分方程的近似解。最后,由于当代高科技的发展为数学的广泛应用和深入研究提供了更好的手段。用计算机结合Matlab软件求方程的精确解、近似解,对解的性态进行图示和定性、稳定性研究都十分方便有效。 本章先介绍常微分的一般概念、导出微分方程的一些典型例子及求解微分方程的思路分析。从而得到常微分方程的常用数值解法。

几类三阶常微分方程的通解公式【文献综述】

毕业论文文献综述 数学与应用数学 几类三阶常微分方程的通解公式 一、前言部分 数学分析中研究了变量的各种函数及函数的微分与积分。如函数未知,但知道变量与函数的代数关系式,便组成代数方程,通过求解代数方程解出未知函数。同样,如果知道自变量、未知函数及函数的导数组成的关系式,得到的便是微分方程。如果在一个微分方程中出现的未知函数只含一个自变量,这个方程就叫做常微分方程。常微分方程是数学分析或基础数学的一个组成部分,在整个数学大厦中占据着重要位置。 塞蒙斯(Simmons)曾如此评价微分方程在数学中的地位:“300年来分析是数学里首要的分支,而微分方程又是分析的心脏.这是初等微积分的天然后继课,又是为了解物理科学的一门最重要的数学,而且在它所产生的较深的问题中,它又是高等分析里大部分思想和理论的根源.”很多物理与技术问题可以化归为常微分方程的求解问题,如自动控制、各种电子学装置的设计、弹道的计算、飞机和导弹飞行的稳定性的研究、化学反应过程稳定性的研究等。数学的其他分支的新发展,如复变函数、李群、组合拓扑学等,都对常微分方程的发展产生了深刻的影响,而上述这些问题都可以化为求常微分方程的解,因此,学好微分方程的求解相当重要.微分方程的理论逐步完善的时候,利用它就可以精确地表述事物变化所遵循的基本规律,只要列出相应的微分方程,有了解方程的方法。微分方程也就成了最有生命力的数学分支。又因为许多力学,电学与生物化学的模型都可以归结为高阶微分方程的模型(见文献[1,2]),因此探求高阶微分方程的求解是一项既有实际意义又有理论意义的工作。 二、主题部分 有关三阶常微分方程的求解研究已经取得了较为丰富的结果,许多数学家早已经对这个课题展开过讨论,并做了很多相关的课题研究和论文。现将已有文献的研究结果综述如下:文献[2]中讲述线性微分方程的基本理论和常微分方程的解法,也简单介绍某些高阶微分的降阶方法。关于线性微分方程的解法,作者介绍了五种较常用的方法:(1)求常系数齐次线性微分方程的基本解组的特征根法(欧拉待定指数函数法);(2)求常系数非齐次线性微分方程的特解的待定系数法和拉普拉斯变换法;(3)求一般非齐次线性微分方程特

常微分方程初值问题的数值解法

--------学习小结 一、本章学习体会 通过本章的学习,我了解了常微分方程初值问题的计算方法,对于解决那些很难求解出解析表达式的,甚至有解析表达式但是解不出具体的值的常微分方程非常有用。在这一章里求解常微分方程的基本思想是将初值问题进行离散化,然后进行迭代求解。在这里将初值问题离散化的方法有三种,分别是差商代替导数的方法、Taylor 级数法和数值积分法。常微分方程初值问题的数值解法的分类有显示方法和隐式方法,或者可以分为单步法和多步法。在这里单步法是指计算第n+1个y 的值时,只用到前一步的值,而多步法则是指计算第n+1个y 的值时,用到了前几步的值。通过对本章的学习,已经能熟练掌握如何用Taylor 级数法去求解单步法中各方法的公式和截断误差,但是对线性多步法的求解理解不怎么透切,特别是计算过程较复杂的推理。 在本章的学习过程中还遇到不少问题,比如本章知识点多,公式多,在做题时容易混淆,其次对几种R-K 公式的理解不够透彻,处理一个实际问题时,不知道选取哪一种公式,通过课本里面几种方法的计算比较得知其误差并不一样,,这个还需要自己在往后的实际应用中多多实践留意并总结。 二、本章知识梳理 常微分方程初值问题的数值解法一般概念 步长h ,取节点0,(0,1,...,)n t t nh n M =+=,且M t T ≤,则初值问题000 '(,),()y f t y t t T y t y =≤≤?? =?的数值解法的一般形式是 1(,,,...,,)0,(0,1,...,)n n n n k F t y y y h n M k ++==- 显示单步法 7.2.1 显示单步法的一般形式 1(,,),(0,1,...,1)n n n n y y h t y h n M ?+=+=- 定理7.2.1 设增量函数(,,)n n t y h ?在区域00{(,,)|,||,0}D t y h t t T y h h =≤≤<∞≤≤内

高等数学基本公式整理(微分方程部分)

微分方程的相关概念: 即得齐次方程通解。 ,代替分离变量,积分后将,,,则设的函数,解法:,即写成程可以写成 齐次方程:一阶微分方称为隐式通解。 得:的形式,解法: 为:一阶微分方程可以化可分离变量的微分方程 或 一阶微分方程:u x y u u du x dx u dx du u dx du x u dx dy x y u x y y x y x f dx dy C x F y G dx x f dy y g dx x f dy y g dy y x Q dx y x P y x f y -=∴=++====+====+='??)()(),(),()()()()()()(0 ),(),(),(???一阶线性微分方程: )1,0()()(2))((0)(,0)()()(1)()()(≠=+?+? =≠? ===+?--n y x Q y x P dx dy e C dx e x Q y x Q Ce y x Q x Q y x P dx dy n dx x P dx x P dx x P ,、贝努力方程:时,为非齐次方程,当为齐次方程,时当、一阶线性微分方程: 全微分方程: 通解。 应该是该全微分方程的,,其中:分方程,即: 中左端是某函数的全微如果C y x u y x Q y u y x P x u dy y x Q dx y x P y x du dy y x Q dx y x P =∴=??=??=+==+),(),(),(0),(),(),(0),(),( 二阶微分方程: 时为非齐次 时为齐次,0)(0)()()()(22≠≡=++x f x f x f y x Q dx dy x P dx y d 二阶常系数齐次线性微分方程及其解法: 2 122,)(2,,(*)0)(1,0(*)r r y y y r r q pr r q p qy y p y 式的两个根、求出的系数; 式中的系数及常数项恰好是,,其中、写出特征方程:求解步骤: 为常数; ,其中?'''=++?=+'+''式的通解:出的不同情况,按下表写、根据(*),321r r

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