最新常微分方程及其应用
常微分方程及其应用全文
件y x x0
y0
的特解这样一个问题，称为一阶微
分方程的初值问题。
记为
F x, y, y 0
y x x0
y0
例1 验证函数 x C1 cos kt C2 sin kt
是微分方程
d2x dt 2
k2x
0(k
0)
的通解。
例2 求例1中 满足初始条件
x A ，dx t 0
0 的特解。
dt t 0
直到t=T 时， F T 。若0 开始时质点位于原点，且
初速度为0，求这质点的运动规律。
F(t)
F
F0
0
x
Tt
y f x, y
设
y
p
,则 y
dp dx
p
方程可化为 p f x, p
通解为 p x,C1
得到微分方程
dy dx
x, C1
分离变量或者直接积分得到通解
y x,C1 dx C2
判断下列方程是否为微分方程：
x2 xy y2 0 否
x y 0 是
3y c 是
二、微分方程的阶
微分方程中所出现的未知函数的最高阶导 数的阶数。
dy 2x
一阶
dx
x2 y xy 4 y 3x 三阶
y4 2 y 12 y 5y sin 2x 三阶
三、微分方程的一般形式
1、一阶微分方程
y f y, y 设 y p ，则
y dp dp dy p dp dx dy dx dy
原方程化为 又得微分方程 dy
dx
分离变量，得通解
y,C1
dy
y,C1
x
C2
例 求方程 y 3 y 满足 y x0 1 的特解。
常微分方程及其应用
常微分方程及其应用常微分方程是数学中的一个重要概念，它描述了变量的变化率与变量本身的关系。
常微分方程广泛应用于物理学、生物学、经济学等众多领域，为解决实际问题提供了有效的数学工具。
在物理学中，常微分方程被广泛应用于描述自然界中的各种现象。
例如，牛顿第二定律可以用常微分方程来描述物体的运动。
考虑一个质点在力的作用下运动的情况，我们可以通过将质点的质量、受力和加速度之间的关系表示为一个常微分方程。
这个方程可以描述质点在不同时间点上的位置和速度的变化。
在生物学中，常微分方程被用来描述生物体内的各种生理过程。
例如，人体的代谢过程可以用常微分方程来描述。
我们可以建立一个关于时间的常微分方程来描述人体内各种物质的转化和消耗。
这些方程可以帮助我们理解人体的代谢过程，从而指导健康管理和疾病治疗。
在经济学中，常微分方程被用来描述市场供求关系和价格变化。
例如，一种商品的价格会随着供求关系的变化而发生变化。
我们可以建立一个关于时间的常微分方程来描述市场供求关系的变化，从而预测价格的走势。
这些方程可以帮助我们理解市场的运行机制，从而指导经济政策和投资决策。
除了物理学、生物学和经济学，常微分方程还被广泛应用于其他领域，如工程学、环境科学和计算机科学等。
在工程学中，常微分方程被用来描述控制系统的动态行为。
在环境科学中，常微分方程被用来描述气候变化和生态系统的演化。
在计算机科学中，常微分方程被用来描述算法的复杂性和性能。
常微分方程及其应用是数学中的重要内容。
它不仅在物理学、生物学和经济学等自然科学领域发挥着重要作用，也在工程学、环境科学和计算机科学等应用科学领域发挥着重要作用。
通过建立和求解常微分方程，我们可以更好地理解和预测自然和社会现象的变化，为解决实际问题提供了有力的数学工具。
因此，对常微分方程的研究和应用具有重要的理论和实践意义。
常微分方程的解法及应用_(常见解法及举实例)---高数论文
华北水利水电学院常微分方程的解法及应用（常见解法及举实例）课程名称：高等数学（2）专业班级：成员组成：联系方式：2012年05月25日摘要常微分方程是微积分学的重要组成部分，广泛用于具体问题的研究中。
求解常微分的问题，常常通过变量分离、两边积分，如果是高阶的则通过适当的变量代换，达到降阶的目的来解决问题。
本文就是对不同类型的常微分方程的解法的系统总结：先对常微分方程定义及一般解法做简单阐述，然后应用变量替换法解齐次性微分方程，降阶法求高阶微分方程，讨论特殊的二阶微分方程，并且用具体的实例分析常微分方程的应用。
关键词：微分方程降阶法变量代换法齐次型一阶线性英文题目：The solution of ordinary differential equations and its application（Common solution and examples）Abstract:Ordinary differential equation is an important part of calculus, widely used in specific problems in the study. Solving differential problem, often through the variable separation, both sides integral, if is high level, through the appropriate variable substitution, achieve the purpose of the reduced order to solve the problem. This article is to different types of ordinary differential equation of the solution system conclusion: first definition of ordinary differential equation and the general solution do simple paper, then apply variable substitution method of homogeneous solution of differential equation, and the reduced order method for high order ordinary differential equation, discussion special second order differential equations, and use a specific example analysis of the application of ordinary differential equations.Key words:Differential equations、Reduced-order method、Variable substitution method 、Homogeneous、First order linear1、 引言微积分学研究的对象是变量之间的函数关系，但在许多实际问题中，往往不能直接找到反映某个变化过程的函数关系，而是根据具体的问题和所给的条件，建立一个含有未知函数或微分的关系式。
常微分方程理论及其应用
常微分方程理论及其应用一、常微分方程的理论首先，我们需要明确什么是常微分方程。
常微分方程是描述一个未知函数与其一些导数之间关系的方程。
根据未知函数的个数和自变量的个数不同，常微分方程可以分为单常微分方程和组常微分方程两类。
对于单常微分方程，根据方程中导数的最高阶数，可以分为一阶常微分方程和高阶常微分方程。
一阶常微分方程的形式一般为dy/dx=f(x,y)，求解一阶常微分方程的方法有分离变量法、齐次方程法、一阶线性方程法等。
高阶常微分方程则需要通过变量代换的方法将高阶常微分方程转化为一阶方程组来求解。
对于组常微分方程，它由多个未知函数与它们的导数之间的关系方程组成。
组常微分方程的求解分为两种情况，一种是齐次线性组常微分方程，另一种是非齐次线性组常微分方程。
对于齐次线性组常微分方程，我们可以通过矩阵运算的方式来求解。
而对于非齐次线性组常微分方程，我们需要通过特解和通解结合的方法来求解。
在常微分方程的理论研究中，我们还常常遇到的一个重要概念是初值问题。
初值问题是指在给定其中一初始条件下，求解满足该初始条件的微分方程解。
初值问题的解的存在唯一性是常微分方程理论研究的一个重要问题，我们需要通过一些数学分析方法来证明。
二、常微分方程的应用常微分方程的应用非常广泛，涉及到物理学、工程学、生物学等各个领域。
以物理学为例，常微分方程广泛应用于天体力学、力学、电磁学等领域。
在天体力学中，通过对轨道方程建立和求解，可以预测行星运动。
在力学中，通过建立运动方程，可以求解物体的运动轨迹。
在电磁学中，通过建立麦克斯韦方程，可以研究电磁场的变化规律。
这些都是常微分方程在物理学中的应用。
在工程学中，常微分方程被广泛应用于电路分析、控制系统、信号处理等方面。
在电路分析中，通过建立电路方程和求解，可以得到电路中电流和电压的变化规律。
在控制系统中，通过建立系统的数学模型和求解微分方程，可以研究系统的稳定性和响应特性。
在信号处理中，通过建立信号的微分方程和求解，可以对信号进行滤波和提取。
常微分方程与其在实际中的应用
常微分方程与其在实际中的应用常微分方程是描述自然现象和物理现象最基本的数学工具之一。
对于任何数学专业的学生来说，只有精通常微分方程，才能够真正掌握数学的精华和应用。
尽管很多人会认为，微分方程只是一种抽象的数学概念，但实际上它在我们的日常生活中扮演了重要的角色。
本文将围绕着常微分方程，探讨它在实际中的应用。
一、常微分方程的基本概念常微分方程是研究函数的微分方程。
它包括两部分：一个是未知函数，另一个是关于该函数的导数。
通常，常微分方程包含一个独立变量和一个未知函数，其中这个未知函数是随着独立变量的改变而变化的。
在数学领域中，常微分方程可以用于求解需要改变的过程，并且它在各种物理学和其他科学领域的应用中也很重要。
二、常微分方程在经济中的应用在经济学领域中，常微分方程有广泛的应用。
例如，宏观经济学中的萨缪尔森模型就是一个关于经济增长的常微分方程模型。
此外，在经济学中另一个重要的应用是价格变化的方程。
价格经常依赖供求关系，而这种供求关系可以用常微分方程来描述。
我们可以通过模拟这种微分方程，来预测未来的价格趋势。
因此，常微分方程在经济学中被广泛应用。
三、常微分方程在物理学中的应用物理学是应用最广泛的领域之一，因此，常微分方程在物理学中的应用也是最广泛的之一。
物理学中有许多关于运动和力学运动的问题需要解决，这些问题都可以用常微分方程来描述。
例如，牛顿定律是经典物理学中最基本的定律之一，它可以用常微分方程的形式来表示。
此外，常微分方程还在许多其他领域中被广泛应用，如电学、光学、热学等。
四、常微分方程在生物学中的应用在生物学中，常微分方程也有广泛的应用。
生物学领域中的一些问题，例如种群增长和动态平衡，可以用常微分方程来描述。
此外，有些分子生物学问题也涉及到微分方程。
例如，细胞内生物化学反应非常复杂，它们可以用常微分方程来描述各种生物分子之间的相互作用。
五、总结因此，在各种学科领域中，包括经济学、物理学和生物学，常微分方程的应用都是不可忽视的。
最新常微分方程(含解答)
常微分方程(含解答)第八章 常微分方程【教学要求】一、了解微分方程的基本概念：微分方程，微分方程的阶、解、特解、通解、初始条件和初值问题，线性微分方程。
二、熟练掌握一阶可分离变量微分方程的解法。
三、熟练掌握一阶线性非齐次微分方程)()(x q y x p y =+'的解法——常数变易法和公式法。
四、理解线性微分方程解的性质和解的结构。
五、熟练掌握二阶线性常系数齐次微分方程0=+'+''qy y p y 的解法——特征根法。
会根据特征根的三种情况，熟练地写出方程的通解，并根据定解的条件写出方程特解。
六、熟练掌握二阶线性常系数非齐次微分方程qy y p y +'+'')(x f =，当自由项f (x )为某些特殊情况时的解法——待定系数法。
所谓f (x )为某些特殊情况是指f (x )为多项式函数，指数函数或它们的和或乘积形式、三角函数x x x ββαsin cos ,e 。
关键是依据f (x )的形式及特征根的情况，设出特解y *,代入原方程，定出y *的系数。
【教学重点】 一阶可分离变量微分方程、一阶线性微分方程、二阶线性常系数微分方程的解法。
【典型例题】。
的阶数是微分方程例)(e )(12x y y y =-'+''2.1.B A 4.3.D C解：B 。
的特解形式是微分方程例)(e 232x x y y y +=+'-'' x x x b ax B b ax A e )(.e ).(++x x c b ax D cx b ax C e ).(e ).(++++解：C是一阶线性微分方程。
下列方程中例)(,3 x x y y x B y A yx cos sin 1.e .2=+'='+ y x y D y y x y C ='=+'+''.0.解：B ⎩⎨⎧=='++1)1(0)1(4y y x y y 求解初值问题例 ⎰⎰-=+x x y y y d )1(d 解：由变量可分离法得c x y y ln ln 1ln+-=+∴ 代入上式得通解为由21ln ln 1)1(=⇒=c yx y y 211=+的特解。
解常微分方程的方法及应用
解常微分方程的方法及应用常微分方程是数学中的一个重要分支，它研究的是含有未知函数的导数的关系式。
在物理、化学、工程等领域中，常微分方程被广泛应用于建模和解决实际问题。
本文将介绍解常微分方程的几种常见方法，并探讨其在实际应用中的重要性。
一、分离变量法分离变量法是解常微分方程中最基本的方法之一。
对于形如dy/dx= f(x)g(y)的方程，我们可以将方程两边同时乘以dy和1/f(y)，然后两边同时积分，从而将原方程分离为两个变量的方程。
最后再对方程进行求解，得到的解即为原方程的解。
这种方法适用于许多一阶和高阶常微分方程的求解。
二、常系数齐次线性微分方程的求解常系数齐次线性微分方程是指形如dy/dx + ay = 0的方程，其中a为常数。
这类方程的解可以通过特征方程的求解得到。
我们可以首先假设解为y = e^(rx)，其中r为常数，代入方程中得到特征方程ar^2 + r = 0。
解特征方程后，可以得到两个不同的解r1和r2。
最后，将通解表示为y = C1e^(r1x) + C2e^(r2x)，其中C1和C2为任意常数，即为原方程的解。
三、变量可分离的高阶微分方程的解法对于一些高阶微分方程，可以通过变量代换和变量分离的方法将其转化为一系列一阶变量可分离的方程。
首先，通过变量代换将高阶方程转化为一阶方程组，然后再利用分离变量法逐个求解一阶方程。
最后，将解代入原方程组，得到原方程的通解。
这种方法可以简化高阶微分方程的求解过程。
四、常微分方程在物理和工程中的应用常微分方程在物理和工程学中有着广泛的应用。
举例来说，经典力学中的牛顿第二定律可以用微分方程来描述：F = ma，其中F是物体所受的外力，m是物体的质量，a是物体的加速度。
这个方程可以通过求解微分方程来得到物体的位移函数。
另外，电路中的RC和RLC电路也可以通过微分方程来描述响应和稳定性。
此外，生物学中也常常使用微分方程模型来描述生物体的生长和变化过程。
大学数学常微分方程的解法与应用
大学数学常微分方程的解法与应用数学在科学研究和工程应用中起着重要的作用，而微分方程则是数学中的一大分支。
大学数学常微分方程是数学专业必修课程之一，它研究的是未知函数的导数与自变量之间的关系。
本文将介绍常微分方程的解法及其在实际问题中的应用。
一、常微分方程的解法1. 分离变量法分离变量法是常微分方程求解中最常用的方法之一。
它适用于形如dy/dx = f(x)g(y)的一阶常微分方程。
具体步骤如下：（1）将方程中的含有y和x的项分别放在一边，得到dy/g(y) =f(x)dx。
（2）对方程两边同时积分，得到∫dy/g(y) = ∫f(x)dx。
（3）对积分后的表达式进行求解，得到y的解析表达式。
以一个简单的例子来说明分离变量法的应用。
考虑方程dy/dx = x/y，我们可以将方程改写为ydy = xdx，然后对方程两边同时积分，得到∫ydy = ∫xdx，最后求解得到y^2 = x^2 + C。
2. 常系数齐次线性微分方程的解法常系数齐次线性微分方程指的是形如dy/dx + ay = 0的一阶微分方程，其中a为常数。
对于这类微分方程，我们可以使用特征方程法来求解。
具体步骤如下：（1）将方程改写为dy/y = -adx。
（2）对方程两边同时积分，得到∫dy/y = ∫-adx。
（3）求解积分后的表达式，得到y的解析表达式。
例如，考虑方程dy/dx + 2y = 0，我们可以将方程改写为dy/y = -2dx，然后对方程两边同时积分，得到∫dy/y = -2∫dx，最后求解得到y = Ce^(-2x)，其中C为常数。
二、常微分方程的应用1. 物理学中的应用常微分方程在物理学中有着广泛的应用。
例如，牛顿第二定律F=ma可以通过微分方程来描述。
考虑一个质点在平面上运动，其速度为v(t)，则根据牛顿第二定律，我们可以得到质点的运动方程mdv/dt = F，其中m为质量，F为合力。
这个方程可以化简为一阶微分方程，进而求解得到速度随时间的变化规律。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
常微分方程及其应用第5章常微分方程及其应用习题5.21．求下列各微分方程的通解：（1）«Skip Record If...»；（2）«Skip Record If...»；（3）«Skip Record If...»；（4）«Skip Record If...»；（5）«Skip Record If...»；（6）«Skip Record If...»．2．求下列各微分方程满足所给初始条件的特解：（1）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»；（2）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»；（3）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»；（4）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»；（5）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»；（6）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．5.3 可降阶微分方程及二阶常系数线性微分方程案例引入求微分方程«Skip Record If...»的通解．解两边积分，得«Skip Record If...»两边再积分，得«Skip Record If...»所以，原方程的通解为«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为任意常数．5.3.1 可降阶微分方程仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢201. 形如«Skip Record If...»的微分方程特点：方程右端为已知函数«Skip Record If...»．解法：对«Skip Record If...»连续积分«Skip Record If...»次，即可得含有«Skip Record If...»个任意常数的通解．2. 形如«Skip Record If...»的微分方程特点：方程右端不显含未知函数«Skip Record If...»．解法：令«Skip Record If...»，则«Skip Record If...»．于是，原方程可化为«Skip Record If...»．这是关于«Skip Record If...»的一阶微分方程．设其通解为«Skip Record If...»，即«Skip Record If...»．两边积分，即可得原方程通解«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为任意常数．3. 形如«Skip Record If...»的微分方程特点：方程右端不显含自变量«Skip Record If...»．解法：令«Skip Record If...»，则«Skip Record If...»．于是，原方程可化为«Skip Record If...»．这是关于«Skip Record If...»的一阶微分方程．设其通解为«Skip Record If...»，即«Skip Record If...»．分离变量，得«Skip Record If...»．然后两边积分，即可得原方程通解«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为任意常数．例5-7求微分方程«Skip Record If...»的通解．解两边积分，得«Skip Record If...»仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢20两边再积分，得«Skip Record If...»第三次积分，得«Skip Record If...»所以，原方程的通解为«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为常数．例5-8求微分方程«Skip Record If...»的通解．解令«Skip Record If...»，则«Skip Record If...»．原方程可化为«Skip Record If...»，即«Skip Record If...»．这是关于«Skip Record If...»的一阶线性齐次微分方程．其通解为：«Skip Record If...»，即«Skip Record If...»．两边积分，即得原方程通解«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为任意常数．例5-9求微分方程«Skip Record If...»的通解．解令«Skip Record If...»，则«Skip Record If...»．于是，原方程可化为«Skip Record If...»．这是关于«Skip Record If...»的一阶线性非齐次微分方程．其通解为«Skip Record If...»«Skip Record If...»«Skip Record If...»«Skip Record If...»即«Skip Record If...»．两边积分，即得原方程通解«Skip Record If...»«Skip Record If...»«Skip Record If...»«Skip Record If...»其中«Skip Record If...»为任意常数．例5-10求微分方程«Skip Record If...»的通解．仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢20解令«Skip Record If...»，则«Skip Record If...»．于是，原方程可化为«Skip Record If...»，即«Skip Record If...»．这是关于«Skip Record If...»的一阶线性齐次微分方程．其通解为«Skip Record If...»，即«Skip Record If...»．所以原方程通解为«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为任意常数．5.3.2 二阶常系数齐次线性微分方程定义5.4形如«Skip Record If...»（5-5）的微分方程，称为二阶常系数齐次线性微分方程．1. 二阶常系数齐次线性微分方程解的结构定理5.1如果函数«Skip Record If...»和«Skip Record If...»是方程（5-5）的两个解，那么«Skip Record If...»（5-6）也是方程（5-5）的解．（证明略）定理5.1表明，二阶常系数齐次线性微分方程的解具有叠加性．那么叠加起来的解«Skip Record If...»就是通解吗？不一定．例如，设函数«Skip Record If...»是方程（5-5）的一个解，则函数«Skip Record If...»也是方程（5-5）的一个解．由定理5.1可知，«Skip Record If...»是方程（5-5）的解．但«Skip Record If...»仍是一个任意常数，所以«Skip Record仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢20If...»不是方程（5-5）的通解．那么在什么条件下才能保证«Skip Record If...»就是通解呢？定义5.5设«Skip Record If...»和«Skip Record If...»是定义在某区间«Skip Record If...»上的两个函数，如果存在两个不全为零的常数«Skip Record If...»和«Skip Record If...»，使«Skip Record If...»在区间«Skip Record If...»上恒成立，则称函数«Skip Record If...»与«Skip Record If...»在区间«Skip Record If...»上线性相关，否则称线性无关．由定义5.5可知，判断函数«Skip Record If...»与«Skip Record If...»线性相关或线性无关的方法：当«Skip Record If...»常数时，«Skip Record If...»与«Skip Record If...»线性相关．当«Skip Record If...»常数时，«Skip Record If...»与«Skip Record If...»线性无关．定理5.2如果函数«Skip Record If...»和«Skip Record If...»是方程（5-5）的两个线性无关的特解，那么（5-6）是方程（5-5）的通解．（证明略）2. 二阶常系数齐次线性微分方程的解法由上述关于解的结构分析可知，欲求方程（5-5）的通解，首先需讨论如何求出方程（5-5）的两个线性无关的特解．仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢20猜想方程（5-5）有形如«Skip Record If...»的解，其中«Skip Record If...»为待定常数．将«Skip Record If...»代入该方程，得«Skip Record If...»，由于«Skip Record If...»，所以只要«Skip Record If...»满足方程«Skip Record If...»（5-7）即当«Skip Record If...»是方程（5-7）的根时，函数«Skip Record If...»就是方程（5-5）的解．定义5.6方程（5-7）称为方程（5-5）的特征方程．特征方程的根称为特征根．设«Skip Record If...»为特征方程（5-7）的两个特征根．根据特征根的不同情形，确定方程（5-5）的通解有以下三种情况：（1）若方程（5-7）有两个不相等的实根«Skip Record If...»，则«Skip Record If...»和«Skip Record If...»是方程（5-5）的两个线性无关的特解，故方程（5-5）的通解为«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为任意常数．（2）若方程（5-7）有两个相等实根«Skip Record If...»，则仅得到一个特解«Skip Record If...»，利用常数变易法可得到与«Skip Record If...»线性无关的另一个特解«Skip Record If...»，故方程（5-5）的通解为«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为任意常数．（3）若方程（5-7）有一对共轭复根«Skip Record If...»与«Skip Record If...»，则«Skip Record If...»和«Skip Record If...»是方程（5-5）的两个复数特解．为便于在实数范围内讨论问题，在此基础上可找到两个线性无关的实数特仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢20解«Skip Record If...»和«Skip Record If...»．故方程（5-5）的通解为«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为任意常数．由定理5.1可知，以上两个函数«Skip Record If...»和«Skip Record If...»均为方程（5-5）的解，且它们线性无关．上述依据特征根的不同情形来求二阶常系数齐次线性微分方程通解的方法，称为特征根法．一般步骤：第一步写出所给微分方程的特征方程；第二步求出特征根；第三步根据特征根的三种不同情形，写出通解．（特征根与通解的关系参见表5-1）表5-1 特征根与通解的关系例5-11求微分方程«Skip Record If...»的通解．解该方程的特征方程«Skip Record If...»的特征根为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»（«Skip Record If...»）．所以，方程的通解为«Skip Record If...»．仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢20例5-12 求微分方程«Skip Record If...»满足初始条件«Skip Record If...»，«Skip Record If...»的特解．解该方程的特征方程«Skip Record If...»的特征根为«Skip Record If...»．所以方程的通解为«Skip Record If...»上式对«Skip Record If...»求导，得：«Skip Record If...»将«Skip Record If...»，«Skip Record If...»代入上两式，解得«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．因此，所求特解为«Skip Record If...»．例5-13求微分方程«Skip Record If...»的通解．解该方程的特征方程«Skip Record If...»的特征根为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．所以，方程的通解为«Skip Record If...»．5.3.3 二阶常系数非齐次线性微分方程定义5.7形如«Skip Record If...»（5-8）的微分方程，称为二阶常系数非齐次线性微分方程．1. 二阶常系数非齐次线性微分方程解的结构定理5.3如果函数«Skip Record If...»是方程（5-8）的一个特解，«Skip Record If...»是该方程所对应的线性齐次方程（5-5）的通解，那么«Skip Record If...»（5-9）仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢20是方程（5-8）的通解．定理5.4如果函数«Skip Record If...»是方程«Skip Record If...»的特解，函数«Skip Record If...»是方程«Skip Record If...»的特解，那么«Skip Record If...»（5-10）就是方程«Skip Record If...»的特解．2. 二阶常系数非齐次线性微分方程的解法二阶常系数齐次线性微分方程的通解问题已经解决，根据定理5.3，求二阶常系数非齐次线性微分方程的通解的关键在于求其自身的一个特解．以下介绍当自由项«Skip Record If...»为几类特殊函数时求特解的方法：（1）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»是«Skip Record If...»的«Skip Record If...»次多项式，«Skip Record If...»是常数微分方程的特解可设为«Skip Record If...»其中«Skip Record If...»是与«Skip Record If...»同次待定多项式．（2）«Skip Record If...»（或«Skip Record If...»），«Skip Record If...»是«Skip Record If...»的«Skip Record If...»次多项式，«Skip Record If...»是常数微分方程的特解可设为«Skip Record If...»其中«Skip Record If...»和«Skip Record If...»是与«Skip Record If...»同次待定多项式．仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢20（3）«Skip Record If...»（或«Skip Record If...»），«Skip Record If...»与«Skip Record If...»均为常数微分方程的特解可设为«Skip Record If...»（4）当«Skip Record If...»为上述任意两类函数之和时，根据定理5.4处理即可．例5-14求微分方程«Skip Record If...»的通解．解方程«Skip Record If...»的特征方程«Skip Record If...»的特征根为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．于是方程«Skip Record If...»的通解为«Skip Record If...»又因为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»是单特征根，所以原方程的特解可设为«Skip Record If...»代入原方程，解得«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．故原方程的通解为«Skip Record If...»．例5-15求微分方程«Skip Record If...»的一个特解．解方程«Skip Record If...»的特征方程«Skip Record If...»的特征根为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．«Skip Record If...»，«Skip Record If...»非特征根，所以原方程的特解可设为«Skip Record If...»代入原方程，解得«Skip Record If...»．故所求特解为«Skip Record If...»．例5-16求微分方程«Skip Record If...»的一个特解．解方程«Skip Record If...»的特征方程«Skip Record If...»的特征根为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»是单特征根，所以原方程的特解可设为«Skip Record If...»代入原方程，解得«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．故所求特解为«Skip Record If...»．例5-17求微分方程«Skip Record If...»的通解．解方程«Skip Record If...»的特征方程«Skip Record If...»的特征根为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．于是方程«Skip Record If...»的通解为«Skip Record If...»又因为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»是特征根，所以原方程的特解可设为«Skip Record If...»代入原方程，解得«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．故原方程的通解为«Skip Record If...»．例5-18 求微分方程«Skip Record If...»的一个特解．解方程«Skip Record If...»的特征方程«Skip Record If...»的特征根为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．«Skip Record If...»，«Skip Record If...»不是特征根，所以原方程的特解可设为«Skip Record If...»代入原方程，解得«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．故所求特解为«Skip Record If...»．例5-19 求微分方程«Skip Record If...»的一个特解．解方程«Skip Record If...»的特征方程«Skip Record If...»的特征根为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．«Skip Record If...»，«Skip Record If...»不是特征根，所以原方程的特解可设为«Skip Record If...»代入原方程，解得«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．故所求特解为«Skip Record If...»．例5-20 求微分方程«Skip Record If...»的一个特解．解方程«Skip Record If...»的特征方程«Skip Record If...»的特征根为«Skip Record If...»．«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»是二重特征根，«Skip Record If...»不是特征根，所以两个分解方程的特解可分别设为«Skip Record If...»与«Skip Record If...»分别代入两个分解方程，解得«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．故所求特解为«Skip Record If...»．习题5.3（1）«Skip Record If...»；（2）«Skip Record If...»；（3）«Skip Record If...»；（4）«Skip Record If...»；（5）«Skip Record If...»；（6）«Skip Record If...»．2．求下列各微分方程满足所给初始条件的特解：（1）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»；（2）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．3．判断下列各函数组是线性相关还是线性无关：（1）«Skip Record If...»与«Skip Record If...»；（2）«Skip Record If...»与«Skip Record If...»；（3）«Skip Record If...»与«Skip Record If...»；（4）«Skip Record If...»与«Skip Record If...»．4．求下列各微分方程的通解：（1）«Skip Record If...»；（2）«Skip Record If...»；（3）«Skip Record If...»；（4）«Skip Record If...»．5．求下列各微分方程满足所给初始条件的特解：（1）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»；（2）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．6．求下列各微分方程的一个特解：（1）«Skip Record If...»；（2）«Skip Record If...»；（3）«Skip Record If...»；（4）«Skip Record If...»．（1）«Skip Record If...»；（2）«Skip Record If...»；（3）«Skip Record If...»；（4）«Skip Record If...»．8．求下列各微分方程满足所给初始条件的特解：（1）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»；（2）«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»．5.4 微分方程应用举例微分方程在实践中有着广泛的应用．在实际应用中，常常需要应用微分方程寻求实际问题中的未知函数．而要建立微分方程，除了需要数学知识外，往往还需要许多专业方面的知识．本节通过举例来介绍微分方程在几何学、电工学及力学方面的一些简单应用．例5-21 曲线«Skip Record If...»上点«Skip Record If...»处的法线与«Skip Record If...»轴的交点为«Skip Record If...»，且线段«Skip Record If...»被«Skip Record If...»轴平分．求曲线«Skip Record If...»的方程．解如图5-2，设曲线的方程为«Skip Record If...»．先建立法线«Skip Record If...»的方程．设法线上的动点坐标为«Skip Record If...»，由于法线«Skip Record If...»的的斜率为«Skip Record If...»，于是法线«Skip Record If...»的方程为«Skip Record If...»又因为线段«Skip Record If...»被«Skip Record If...»轴平分，从而«Skip Record If...»与«Skip Record If...»轴交点坐标为«Skip Record If...»，代入上式，得«Skip Record If...»，即«Skip Record If...»用分离变量法解得«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为任意正数．yy M（x ，y）L x图5—2例5-22设有一«Skip Record If...»电路如图5-3所示，电阻«Skip Record If...»，电容«Skip Record If...»，电源电压«Skip Record If...»，开关«Skip Record If...»闭合前，电容电压«Skip Record If...»，求开关«Skip Record If...»闭合后电容电压随时间而变化的规律«Skip Record If...»．KuCiR图5-3解设开关«Skip Record If...»闭合后电路中的电流为«Skip Record If...»，电容极板上的电荷为«Skip Record If...»，则有«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，根据回路电压定律：电容电压与电阻电压之和等于电源电压，即«Skip Record If...»，于是有«Skip Record If...»．将«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»代入，得«Skip Record If...»．又因为开关«Skip Record If...»闭合前，电容电压«Skip Record If...»，即«Skip Record If...»．从而问题转化为初值问题：«Skip Record If...»用通解公式求得通解«Skip Record If...»将初始条件«Skip Record If...»代入通解，求得«Skip Record If...»．所以，所求特解为«Skip Record If...»此即为所求规律«Skip Record If...»的表达式．例5-23 设跳伞员开始跳伞后所受的空气阻力与其下落的速度成正比（比例系数为常数«Skip Record If...»），起跳时的速度为«Skip Record If...»．求跳伞员下落的速度与时间之间的函数关系．解这是一个运动问题，可利用牛顿第二定律«Skip Record If...»建立微分方程．设跳伞员下落的速度与时间之间的函数关系为«Skip Record If...»，则加速度«Skip Record If...»．由于跳伞员在下落过程中所受外力只有重力和空气阻力，于是有«Skip Record If...»，由牛顿第二定律«Skip Record If...»可得速度«Skip Record If...»应满足的微分方程为«Skip Record If...»．又因为起跳时的速度为«Skip Record If...»，即其初始条件为«Skip Record If...»．所以，这个运动问题可化为初值问题：«Skip Record If...»用分离变量法求出通解为«Skip Record If...»．将初始条件为«Skip Record If...»代入通解，解得«Skip Record If...»．因此，所求特解为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»（«Skip Record If...»为降落伞着地时间），此即为所求函数关系．例5-24 物体冷却过程．将某高温物体置于空气中冷却，假定空气温度恒为«Skip Record If...»，在时刻«Skip Record If...»时，测得其温度为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»分钟后测得温度为«Skip Record If...»．已知牛顿冷却定律：物体冷却速率与物体和介质的温差成正比．求物体的温度与时间的函数关系，并计算«Skip Record If...»分钟后该物体的温度．解设物体的温度与时间的函数关系为«Skip Record If...»．因为热量总是从温度高的物体向温度低的物体传导，从而物体随时间增加而逐渐冷却，所以冷却速率（温度的变化速度）«Skip Record If...»，而物体和空气的温差恒为正．所以，根据牛顿冷却定律可得«Skip Record If...»．又因为在时刻«SkipRecord If...»时，测得其温度为«Skip Record If...»，即有«Skip Record If...»．从而问题转化为初值问题：«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为比例常数．用分离变量法或通解公式解得«Skip Record If...»．将«Skip Record If...»代入，求得«Skip Record If...»．故物体的温度与时间的函数关系为«Skip Record If...»．将«Skip Record If...»代入，得«Skip Record If...»．例5-25 弹簧振动问题．设有一弹簧上端固定，下端挂着一个质量为«Skip Record If...»的物体．当弹簧处于平衡位置时，物体所受的重力与弹簧恢复力大小相等，方向相反．设给物体一个初始位移«Skip Record If...»，初速度«Skip Record If...»，则物体便在其平衡位置附近上下振动．已知阻力与其速度成正比，求振动过程中位移«Skip Record If...»的变化规律．图5-4解建立坐标系如图5-4所示，平衡位置为原点．位移«Skip Record If...»是时间«Skip Record If...»的函数«Skip Record If...»．物体在振动过程中受到弹簧恢复力«Skip Record If...»与阻力«Skip Record If...»的作用．由虎克定律，有«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为弹性系数，负号表示弹簧恢复力与位移方向相反；«Skip Record If...»，其中«Skip Record If...»为比例系数（或称阻尼系数），负号表示阻力与速度方向相反．根据牛顿第二定律«Skip Record If...»，可得«Skip Record If...»．又因为«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，记«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，«Skip Record If...»，所以上述弹簧振动问题化为初值问题：«Skip Record If...»这是一个二阶常系数齐次线性方程，其特征方程为«Skip Record If...»，特征根为«Skip Record If...»．具体情况讨论如下：（1）大阻尼情形，即«Skip Record If...»．这时，特征根是两个不相等实根，所以方程的通解为«Skip Record If...»．（2）临界阻力情形，即«Skip Record If...»．这时，特征根«Skip Record If...»，所以方程的通解为«Skip Record If...»．（3）大阻尼情形，即«Skip Record If...»．这时，特征根是一对共轭复根«Skip Record If...»，所以方程的通解为«Skip Record If...»．上述三种情形中的任意常数均可由初始条件确定．这类振动问题均会因阻尼的作用而停止，称为弹簧的阻尼自由振动．习题5.41．设过点«Skip Record If...»的曲线«Skip Record If...»上任意点«Skip Record If...»处的切线分别与«Skip Record If...»轴、«Skip Record If...»轴交于点«Skip Record If...»、«Skip Record If...»，且线段«Skip Record If...»被点«Skip Record If...»平分．求曲线«Skip Record If...»的方程．2．在如图5-5所示的«Skip Record If...»电路中，已知开关«Skip Record If...»闭合前，电容上没有电荷，电容两端电压为零，电阻为«Skip Record If...»，电容为«Skip Record If...»，电源电压为«Skip Record If...»．把开关«Skip Record If...»合上，电源对电容充电，电容电压«Skip Record If...»逐渐升高．求电容电压«Skip Record If...»随时间«Skip Record If...»变化的规律．E图5-53．将温度为«Skip Record If...»的沸水注入杯中，放在室温为«Skip Record If...»的环境中自然冷却，«Skip Record If...»后测得温度为«Skip RecordIf...»．求水温与时间的函数关系，并计算水温自«Skip Record If...»降至«Skip Record If...»所需时间．4．设有一弹簧上端固定，下端挂着一个质量为«Skip Record If...»的物体．先将物体用手拉到离平衡位置«Skip Record If...»处，然后放手，让物体自由振动．若物体所受的阻力大小与运动速度成正比，方向相反，弹簧的弹性系数«Skip Record If...»，阻尼系数«Skip Record If...»．求物体的运动规律．知识拓展：马尔萨斯（Malthus）模型马尔萨斯（Malthus）模型是最简单的生态学模型．给定一个种群，我们的目的是确定种群的数量是如何随着时间发展变化的．为此，我们作出如下假设：模型假设：1.初始种群规模已知«Skip Record If...»，种群数量非常大，世代互相重叠，因此种群的数量可以看作是连续变化的；2.种群在空间分布均匀，没有迁入和迁出（或迁入和迁出平衡）；3.种群的出生率和死亡率为常数，即不区分种群个体的大小、年龄、性别等；4.环境资源是无限的．确定变量和参数：为把问题转化为数学问题，我们首先确定建模中所需变量和参数：«Skip Record If...»：时间（自变量），«Skip Record If...»：«Skip Record If...»时刻的种群密度，«Skip Record If...»：瞬时出生率，«Skip R ecord If...»：瞬时死亡率．模型的建立与求解：考察时间段«Skip Record If...»（不失一般性，设«Skip Record If...»），由物质平衡原理，在此时间段内种群的数量满足：«Skip Record If...»时刻种群数量«Skip Record If...»时刻种群数量«Skip Record If...»内新出生个体数«Skip Record If...»内死亡个体数，即«Skip Record If...»亦即 «Skip Record If...»令«Skip Record If...»，可得«Skip Record If...»满足初始条件«Skip Record If...»的解为«Skip Record If...»于是有«Skip Record If...»时，即«Skip Record If...»，则有«Skip Record If...»，«Skip Record If...»时，即«Skip Record If...»，则有«Skip Record If...»，«Skip Record If...»时，即«Skip Record If...»，则有«Skip Record If...»．马尔萨斯（Malthus）模型的积分曲线«Skip Record If...»呈“«Skip Record If...»”字型，因而种群的指数增长又称为“«Skip Record If...»”型增长．人也是一种生物种群，人口预测问题就是在马尔萨斯（Malthus）模型的基础上通过修改而得以解决。