常见微分方程的求解
求微分方程的通解方法总结
求微分方程的通解方法总结微分方程是数学中的重要概念之一，广泛应用于物理、工程、经济等领域。
解微分方程可以帮助我们理解和预测自然界中的现象变化。
本文将总结几种常见的求微分方程通解的方法，帮助读者更好地掌握这一重要的数学技巧。
一、分离变量法分离变量法是求解一阶微分方程最常用的方法之一。
当微分方程可以写成dy/dx = f(x)g(y) 的形式时，我们可以通过分离变量的方式将方程化简为两个变量的乘积形式。
然后将两边同时积分，得到通解。
二、常数变易法常数变易法适用于齐次线性微分方程，形如 dy/dx + P(x)y = 0。
通过猜测一个解y = Ce^(∫P(x)dx)（C为常数），然后求导得到dy/dx 和 P(x)y，将其代入原方程，如果两边相等，则得到通解。
三、齐次方程法齐次方程法适用于一阶线性微分方程dy/dx + P(x)y = Q(x)，其中P(x) 和 Q(x) 都是已知函数。
首先解齐次方程 dy/dx + P(x)y = 0，得到通解y_h。
然后通过常数变易法，猜测一个特解y_p，将其代入原方程，得到Q(x) = y_p' + P(x)y_p。
最后通解为y = y_h + y_p。
四、二阶齐次线性微分方程法对于二阶齐次线性微分方程 d^2y/dx^2 + p(x)dy/dx + q(x)y = 0，可以通过特征方程 r^2 + p(x)r + q(x) = 0 求得特征根 r_1 和 r_2。
然后根据特征根的不同情况，得到通解y = C_1e^(r_1x) + C_2e^(r_2x)（C_1 和 C_2 为常数）。
五、常系数齐次线性微分方程法对于常系数齐次线性微分方程 d^2y/dx^2 + a dy/dx + by = 0，可以通过特征方程 r^2 + ar + b = 0 求得特征根 r_1 和 r_2。
然后根据特征根的不同情况，得到通解 y = C_1e^(r_1x) + C_2e^(r_2x)（C_1 和 C_2 为常数）。
常微分方程的常见解法
# 定义网格密度
arrows=LINE,
# 定义线段类型
axes=NORMAL);
# 定义坐标系类型
在MATLAB的向量场命令为 quiver(x,y,px,py)
回车后Maple就在1 1 的网格点上画出了向量场
44
的图形，并给出了过点(-2, 2) (-2 ,1) (-2,2) 的三
条积分曲线，见下图
M (x,y)co x s2xye , y
N (x,y)co x s2xye x
M(x,y)N(x,y)
y
x
所以方程为全微分方程。
由公式F (x ,y ) 0M (s ,y )d s 0N (0 ,s )d s
x(yc o ss 2 se y)d sy2 d s
0
0
ysinxx2ey2y
或
x
y
F (x ,y )x 0M (s ,y ) d s y 0N (x 0 ,s ) d
s
例：验证方程
( y c o s x 2 x e y ) d x ( s i n x x 2 e y 2 ) d y 0
是全微分方程，并求它的通解。 解：由于 M (x ,y ) y c o sx 2 x e yN (x ,y ) s in x x 2 e y 2
dx
令 zy1n,则 dz(1n)yndy
dx
dx
d z (1 n )P (x )z (1 n )Q (x )
d x
求出此方程通解后, 换回原变量即得伯努利方程的通解。
例 湖泊的污染
设一个化工厂每立方米的废水中含有3.08kg盐酸， 这些废水流入一个湖泊中，废水流入的速率20 立方米每小时. 开始湖中有水400000立方米. 河水 中流入不含盐酸的水是1000立方米每小时, 湖泊 中混合均匀的水的流出的速率是1000立方米每小 时,求该厂排污1年时, 湖泊水中盐酸的含量。 解: 设t时刻湖泊中所含盐酸的数量为 x ( t )
微分方程的求解方法与应用案例分享
微分方程的求解方法与应用案例分享微分方程是数学中重要的一门分支，它描述了自然界和社会现象中的变化规律。
微分方程的求解方法多种多样，本文将介绍常见的几种求解方法，并结合实际应用案例进行分享。
一、常微分方程的求解方法1. 可分离变量法可分离变量法是求解一阶常微分方程的常用方法。
首先将方程中的变量分离，然后进行积分得到结果。
例如，对于形如dy/dx=f(x)g(y)的方程，可以将其化简为dy/g(y)=f(x)dx，再对两边同时进行积分即可得到解析解。
2. 齐次方程法齐次方程法适用于形如dy/dx=F(y/x)的方程。
通过令v=y/x，将方程转化为dv/dx=F(v)-v/x，再进行变量分离和积分即可求解。
3. 线性方程法线性方程法适用于形如dy/dx+p(x)y=q(x)的一阶线性微分方程。
通过乘以一个积分因子，可以将方程化为d(μy)/dx=μq(x)，再对两边同时积分得到解析解。
4. 变量替换法变量替换法是一种常用的求解微分方程的方法。
通过引入新的变量替换原方程中的变量，可以将方程化为更简单的形式。
例如，对于形如dy/dx=f(ax+by+c)的方程，可以通过引入新的变量u=ax+by+c来进行变量替换，从而简化求解过程。
二、微分方程的应用案例分享1. 放射性衰变问题放射性衰变是微分方程在物理学中的一个重要应用。
以放射性核素的衰变为例，其衰变速率与核素的数量成正比，可以用微分方程dy/dt=-ky来描述，其中y表示核素的数量，t表示时间，k为比例常数。
通过求解这个微分方程，可以得到核素的衰变规律，进而预测未来的衰变情况。
2. 振动问题微分方程在工程学中的应用也非常广泛，例如振动问题。
以简谐振动为例，可以通过微分方程m(d²x/dt²)+kx=0来描述，其中m为质量，k为弹性系数。
通过求解这个微分方程，可以得到振动的解析解，进而研究振动的频率、幅度等特性。
3. 生物种群模型微分方程在生态学中的应用也非常重要，例如生物种群模型。
常微分方程解法大全
常微分方程解法大全在数学和物理学中，常微分方程是一个重要而广泛应用的概念。
常微分方程描述连续的变化，解决了许多实际问题和科学领域中的模型。
解常微分方程可以揭示系统的行为并预测未来情况。
在本文中，我们将探讨常微分方程的各种解法，包括常见的常系数线性微分方程、变速微分方程、欧拉方程等各类形式。
常系数线性微分方程一阶线性微分方程对于形如 $\\frac{dy}{dt} + ay = f(t)$ 的一阶线性微分方程，可以利用积分因子法求解。
首先找到积分因子 $I(t) = e^{\\int a dt}$，然后将方程乘以积分因子得到$e^{\\int a dt}\\frac{dy}{dt} + ae^{\\int a dt}y = e^{\\int a dt}f(t)$，进而写成$\\frac{d}{dt}(e^{\\int a dt}y) = e^{\\int a dt}f(t)$。
对两边积分即可得到 $y = e^{-\\int a dt}\\int e^{\\int a dt}f(t)dt + Ce^{-\\int a dt}$。
高阶线性微分方程对于形如 $y^{(n)}(t) + a_{n-1}y^{(n-1)}(t) + \\ldots + a_1y'(t) + a_0y(t) =f(t)$ 的 n 阶线性微分方程，可以利用特征根法求解。
首先找到特征方程$\\lambda^n + a_{n-1}\\lambda^{n-1} + \\ldots + a_1\\lambda + a_0 = 0$ 的根$\\lambda_1, \\ldots, \\lambda_n$，然后通解可表示为 $y(t) = c_1e^{\\lambda_1t} + \\ldots + c_ne^{\\lambda_nt} + y_p(t)$，其中y p(t)为特解。
变速微分方程变速微分方程描述的是系统参数随时间变化的情况，通常包含随时间变化的系数。
微分方程几种求解方法
微分方程几种求解方法微分方程是数学中重要的概念之一，用于描述变量之间的函数关系。
求解微分方程是数学和工程中的常见问题。
根据问题的性质和条件，有多种方法可以用来求解微分方程，下面将介绍几种常见的求解方法。
1.变量分离法：变量分离法是求解一阶常微分方程的常用方法。
它的基本思想是将微分方程中的变量分离，然后进行积分。
具体步骤是将微分方程写成形式dy/dx=f(x)g(y)，然后将方程变换为g(y)dy=f(x)dx，再两边同时积分，即可得到方程的解。
这种方法适用于一阶常微分方程，如y'=f(x)。
2.齐次方程方法：齐次方程是指微分方程中不包含任意常数项的方程。
对于齐次方程可以使用变量代换法进行求解。
具体的步骤是将微分方程中y的函数形式换成u，然后进行代换，将微分方程变为可分离变量的形式。
然后用变量分离法来求解，最后再进行反代还原，得到原方程的解。
这种方法适用于一阶齐次常微分方程，如dy/dx=f(y/x)。
3.线性方程方法：线性微分方程是指微分方程中只有一阶导数，并且函数关系是线性的。
线性方程可以使用常数变易法或者待定系数法来进行求解。
常数变易法的基本思想是假设方程的解具有特定的形式，然后将其带入方程，通过确定待定的常数来求解。
待定系数法的基本思想是假设方程的解是一组形式已知的函数的线性组合，然后通过确定待定系数来求解。
这些方法适用于一阶线性常微分方程，如dy/dx+a(x)y=b(x)。
4.积分因子法：积分因子法是一种用于求解一阶非齐次线性常微分方程的方法。
它的基本思想是通过引入一个合适的因子，将一阶非齐次线性微分方程转化为恰当微分方程，从而利用变量分离法来求解。
具体步骤是先将非齐次方程写成标准形式dy/dx+p(x)y=q(x)，然后通过选择合适的积分因子μ(x)来将方程转为恰当微分方程（即满足(dμ(x)/dx)y+p(x)μ(x)=q(x)），再对该恰当微分方程进行积分，即可得到原方程的解。
微分方程常见解
微分方程常见解
微分方程的解可以分为常见解和特解两类。
常见解是指微分方程的一般解表达式，而特解是指满足特定初始条件或边界条件的解。
以下是一些常见微分方程的常见解：
1. 一阶线性常微分方程的常见解：
-可分离变量形式：dy/dx = f(x)g(y)，可以通过分离变量并积分得到解析解。
-齐次形式：dy/dx = f(y)/g(x)，可以通过变量代换或分离变量并积分得到解析解。
-线性形式：dy/dx + P(x)y = Q(x)，可以使用积分因子方法求解。
2. 二阶线性常微分方程的常见解：
-齐次线性方程：d²y/dx²+ p(x)dy/dx + q(x)y = 0，其中p(x)和q(x)为已知函数，可以使用特征方程法求解。
-非齐次线性方程：d²y/dx²+ p(x)dy/dx + q(x)y = f(x)，可以使用待定系数法或变异参数法求解。
3. 高阶线性常微分方程的常见解：
-特征方程法：将高阶微分方程变换为特征方程，并根据特征根的不同情况得到解析解。
-幂级数法：对于具有幂级数解形式的微分方程，可以将解表示为幂级数展开，并确定幂级数的系数。
需要注意的是，由于微分方程的多样性和复杂性，不同类型的方程可能需要不同的方法来求解，有些方程可能没有解析解而只能用数值方法进行近似求解。
此外，对于非线性微分方程或偏微分方程，其解的性质和求解方法更加复杂和多样。
常微分方程的常见解法
实例解析
实例1
求解一阶线性常微分方程 $y' + p(x)y = q(x)$，通过引入参数 $lambda$，可以将方程转化为 $lambda y = q(x)$，从而简化求解过程。
实例2
求解二阶常微分方程 $y'' + y' + y = 0$，通过引入参数 $lambda$，可以将方程转化为 $lambda^2 + lambda + 1 = 0$，从而求解出 $lambda$ 的值，进一步得到原方程的解。
当 (M(x)) 和 (N(x)) 均为非零函数时，该方法适用。
实例解析
1. 确定积分因子
选择积分因子为 (e^x)
5. 解出原方程
将 (e^x y = frac{1}{3} e^{3x} + C) 代入 原方程，解得 (y = frac{1}{3} x^2 + Ce^{-x})
4. 解方程
对两边积分，得到 (e^x y = frac{1}{3} e^{3x} + C)
04 积分因子法
定义与特点
定义
积分因子法是一种通过引入一个因子来简化微分方程的方法。
特点
通过乘以一个适当的因子，可以将微分方程转化为可分离变量的形式，从而简化求解过程。
适用范围
适用于形如 (M(x)y' + N(x)y = f(x)) 的线性微分方程，其中 (M(x)) 和 (N(x)) 是 已知函数，(f(x)) 是给定的函数。
实例2
考虑一阶常微分方程 (dy/dx = xy)，其中 (x > 0) 且 (y > 0)。通过分离变量法， 我们可以得到 (dy/y = xdx)，进一步求解得到 (ln|y| = frac{1}{2}x^2 + C)，其 中 (C) 是积分常数。
常微分方程解法
常微分方程解法常微分方程是数学中的一门重要分支，研究描述自然界和社会现象中变化规律的方程。
解常微分方程的方法多种多样，下面将介绍常见的几种解法。
一、分离变量法分离变量法适用于形如dy/dx=f(x)g(y)的一阶常微分方程。
解题步骤如下：1. 将方程写成dy/g(y)=f(x)dx的形式，将变量分离。
2. 对两边同时积分，得到∫dy/g(y)=∫f(x)dx。
3. 左边的积分可以通过换元或者使用常见函数的积分公式进行计算。
4. 右边的积分可以通过与左边的积分结果进行比较来判断是否需要使用特殊的积分技巧。
5. 对左右两边同时积分后，解出方程中的积分常数。
6. 将积分常数代回原方程中，得到完整的解。
二、常数变易法常数变易法适用于形如dy/dx+p(x)y=q(x)的一阶常微分方程。
解题步骤如下：1. 先求出对应的齐次方程dy/dx+p(x)y=0的通解。
2. 假设原方程的特解为y=u(x)v(x)，其中u(x)是一个待定的函数，v(x)是齐次方程的通解。
3. 将y=u(x)v(x)代入原方程中，整理后得到关于u(x)和v(x)的方程。
4. 解出关于u(x)的方程，得到u(x)的值。
5. 将u(x)的值代入v(x)中，得到特解。
6. 特解与齐次方程的通解相加，即得到原方程的完整解。
三、二阶齐次线性方程解法二阶齐次线性方程的一般形式为d^2y/dx^2+p(x)dy/dx+q(x)y=0。
解题步骤如下：1. 求解对应的齐次方程d^2y/dx^2+p(x)dy/dx+q(x)y=0的特征方程r^2+p(x)r+q(x)=0，其中r为未知数。
2. 求解特征方程得到两个不同的根r1和r2。
3. 根据r1和r2的值，得到齐次方程的通解y=c1e^r1x+c2e^r2x，其中c1、c2为任意常数。
四、变量替换法变量替换法适用于形如dy/dx=f(y/x)的一阶常微分方程。
解题步骤如下：1. 进行变量替换，令u=y/x，即y=ux。
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y C 1 C 2x e x ,
y C 1e r x C 2e r x ,
1 2
y e x(C 1 cos x C 2 sin x ).
p 1 , 4q p 2 . 2 2
二阶常系数非齐次线性微分方程
y ’’ p y ’ q y f(x) , p, q 是常数 (1)
求方程(1)的通解，归结为求对应的齐次方程 y ’’ p y ’ q y 0
的通解和(1)的一个特解。 求特解： f(x) exPm(x)
代入得：
取 ux, 得
2 u (2 p)u ( p q)u 0 , u 0 .
，这时方程(1)的通解为：
y C 1e x C 2xe x (C 1 C 2x ) e x .
二阶线性微分方程
3) p24q 0 , 得到一对共轭复根 r1 i, r2 i,
~ y1 ~ y2 y2 e x sin x 2i
得到两个线性无关的实解，所以通解是：
y e x(C 1 cos x C 2 sin x ).
二阶常系数齐次线性方程
形如 y ’’ p y ’ q y 0 .
求解过程 1)写出特征方程 r2 pr q 0；
结论： f(x) e xPm(x)时方程(1)有 y* xkQm(x)ex 形式的特解：当 不是特征根
时取 k 0，当 是单特征根时取 k 1，当 是重特征根时取 k 2。
例题
y e x(C 1 cos x C 2 sin x ).
p 1 , 4q p 2 . 2 2
P ( x ) dx
.
y e
P (x ) dx
P (x ) dx Q ( x ) e dx C
二阶线性微分方程
形如 y ’’ p y ’ q y 0 .
定义 代数方程
r2 pr q 0 为微分方程的特征方程
1) p24q 0 , r1 , r2 是两个不相等的实根，则
要使(2)式两端相等，Q(x)必须是m次多项式
Qm(x) b0 x m b1x m1 bm1x + bm ， 代入(2)式，比较同次幂系数，得到一个以 b0 , b1 , … , bm 为未知数的 m 1 个方程的方程组，从而可求出特解 y* Qm(x)ex .
二阶常系数非齐次线性微分方程
这样得到两个线性无关的复数形式的解
( i )x y e x(cos x i sin x ), ~1 e
~ y2 e( i ) x ex (cosx i sinx) .
根据解的叠加原理
~ y1 ~ y2 y1 e x cos x , 2
常见微分方程的求解
12海科 郭海宏
微分方程的基本概念
定义 含有未知函数的导数(或微分、偏导数)的函数方程叫做微分方程，未知函
数是一元函数叫做常微分方程，未知函数是多元函数叫做偏微分方程；其中出现 的未知函数的导数(或微分、偏导数)的最高阶数叫做该微分方程的阶。
n阶微分方程的一般形式
F(x ,y ,y , ,y (n )) 0,
谢谢大家观看
微分方程的求解
说明：
(1) n阶微分方程的解中最多只能含有n个独立的任意常数。
(2) 微分方程的通解不一定包含它的全部解。如方程 不包含特解 y 0
y
y 0的 通 解 y
1 ( x C )2 4
(3) y(x0)= y0， y (x0)= y1 ，… 称为初始条件(或初值)。带有初始条件的微分方程 问题称为初值问题。
带入方程并消去ex 得
Q’’(x) (2+p)Q’(x) (2 p q)Q(x) Pm(x)
二阶常系数非齐次线性微分方程
Q’’(x) (2+p)Q’(x) (2 p q)Q(x) Pm(x)
(2)
1) 不是特征方程 r2 pr Байду номын сангаасq 0 的根，2+p+q 0 ，
Q’’(x) (2+p)Q’(x) (2 p q)Q(x) Pm(x)
(2)
2) 是特征方程 r2 pr q 0 的单根，即2+p+q 0，
但 2 p 0 ，(2)式变为 Q’’(x)+(2+p)Q’(x) Pm(x) ，
可见 Q’(x) 应是m次多项式且Q(x)的常数项可任取(不 妨取为零)，令 Q(x) xQm(x)，用同样的方法可求出 Qm(x)的系数b0 , b1 , … , bm .
dy P(x )y Q(x ) dx
dy P(x )y 0 dx
一阶线性微分方程
分离变量法
dy P(x ) dx , y
ln y P(x ) dx C 1 ,
y Ce
P (x ) dx
得方程(2)的通解
一阶线性微分方程
y ( x ) C ( x )e
y1 e , y2 e
r1 x
r2 x
二阶线性微分方程
2) p24q 0 , 得到方程的一个解
y1 e x e
p x 2
.
x 2 y e ( u 2 u u) , 2
设另一个线性无关的解
y2 e xu( x) ,
e x(u u ), y2
特：可分离变量的求解方法
一个一阶微分方程称为可分离变量的微分方程，
如果能把它写成形式
g(y)dy f(x)dx。
g( ( x )) ( x )dx f ( x )dx ,
若G(y)、F(x)分别是g(y)、 f(x)的原函数，得
G(y ) F(x ) C
一阶线性微分方程
二阶常系数非齐次线性微分方程
Q’’(x) (2+p)Q’(x) (2 p q)Q(x) Pm(x)
(2)
是特征方程 r2 pr q 0的重根，即 2 p q 0,
且 2 p 0 ，(2) 式变为 Q’’(x) Pm(x) ，
可见 Q’’(x) 应是 m 次多项式且 Q(x)的常数项和一次项系数可任取，因而可令 Q(x) x2Qm(x)，然后用同样的方法求出Qm(x)的系数 b0 , b1 , … , bm 。
f(x)是多项式Pm(x)与指数函数 ex 的乘积，其导数仍然是同一类型，因此我们推测，特解 具有形式
y* exQ(x)，其中Q(x)是待定的多项式。 将 y* exQ(x) ， y*’ ex[Q(x) Q’(x)] y*’’ ex[2 Q(x) 2Q’(x) Q’’(x)] (2)