一阶常微分方程组
一阶常系数线性齐次微分方程组的两种解法
一阶常系数线性齐次微分方程组的两种解法
吴翠兰;乔文敏
【期刊名称】《河北地质学院学报》
【年(卷),期】1995(018)005
【摘要】一阶常系数线性齐次微分方程组ｘ（ｔ）＝Ａｘ（ｔ）…（１），其中Ａ＝（ａｉｊ）ｎ×ｎ，ｘ（ｔ）＝）ｘ１，ｘ２，…ｘｎ）＾Ｔ的求解，一般有两种解法。
第一种，归结为求矩阵Ａ的特征值和特征向量，微分方组（１）的解一的般结构完全由代数问题的解析决定。
第二种，归结为求矩阵Ａ的Ｊｏｒｄａｎ标准形，从而可以写出ｙ１，ｙ２，…ｙｎ，由ｘ＝ｐ＾－１ｙ其中ｙ＝ｙ１ｙ２…ｙｎ，Ｐｎ×ｎ为可逆阵，求出ｘ＝ｘ１ｘ２…ｘｎ即为
【总页数】5页(P422-426)
【作者】吴翠兰;乔文敏
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】O241.6
【相关文献】
1.一阶常系数线性齐次微分方程组求解探析 [J], 罗毅
2.常系数非齐次线性微分方程组的几种常见解法 [J], 雷凤生;
3.常系数非齐次线性微分方程组的几种常见解法 [J], 雷凤生
4.n阶常系数线性齐次微分方程与一阶常系数线性齐次微分方程组求解类比法 [J],
周艳华;
5.追赶法求解一阶常系数线性非齐次微分方程组 [J], 张秋生
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一阶常微分方程
Chapter 1 First-order ordinary differential equations (ODE)一階常微分方程1.1 基本概念()x f y =或()t f y =，y 是x 或t 的函數，y 是因變數(dependent variable )，x 或t 是自變數(independent variable )◎ 微分方程(differential equations)：一方程式包含有因變數y 關於自變數x 或t的導數(derivatives)y y ′ ,&或微分(differentials)dy 。
◎ 常微分方程(ordinary differential equations, ODE)：一微分方程包含有一個或數個因變數（通常為()x y ）關於僅有一個自變數x 的導數。
Ex. 222)2(2 ,09 ,cos y x y e y y x y y x y x +=′′+′′′′=+′′=′◎ 偏微分方程(partial differential equations, PDE)：一微分方程包含至少有一個因變數關於兩個以上自變數的部分導數。
Ex. 02222=∂∂+∂∂yux u◎ 微分方程的階數：在微分方程式中所出現最高階導數的階數。
◎ 線性微分方程：在微分方程式中所出現的因變數因變數因變數或其導數僅有一次式(first degree)而無二次以上的乘積（自變數可以有二次以上的乘積）。
Ex. x y y x y cos 24=+′+′′ 因變數：y ，自變數：x ，二階線性常微分方程 x y y y y cos 24=+′+′′ 因變數：y ，自變數：x ，二階非線性常微分方程 222)2(2 y x y e y y x x +=′′+′′′′ 因變數：y ，自變數：x ，三階非線性常微分方程□ 一階常微分方程(first-order ordinary differential equations)隱式形式(implicit form) 表示 0),,(=′y y x F (4)顯式形式(explicit form) 表示 ),(y x f y =′Ex. 隱式形式ODE 0423=−′−y y x ，當0≠x 時，可表示為顯式形式234y x y =′□ 解的概念(concept of solution)在某些開放間隔區間b x a <<，一函數)(x h y =是常微分方程常微分方程0),,(=′y y x F 的解，其函數)(x h 在此區間b x a <<是明確(defined)且可微分的(differentiable)，其)(x h 的曲線（或圖形）是被稱為解答曲線(solution curve)。
一阶常微分方程组与高阶方程
y(
x0
)
y0 ,
y(x0 )
y0
（7.35）
在引入新的变量 z y后,即化为一阶方程组初值问题:
z f (x, y, z) y z, y(x0 ) y0 , z(x0 ) y0
（7.36）
式（7.36）为一个一阶方程组的初值问题，对此可
用1.1中介绍的方法来求解。例如应用四阶龙格-库
K2,
zi
h 2
L2
)
K 4 zi hL3
L4 f (xi1 , yi hK3 , zi hL3 )
（7.37） （7.38）
消去 Ki (i 1,2,3,4) ，上式简化为：
h2
yi1 yi hzi
6
(L1 L2 L3 )
z
i
1
zi
h 6
( L1
2L2
2L3
L4 )
（7.39）
例7.7 求解下列二阶微分方程的初值问题
y y x y(0) 0, y(0) 1
0 x 1
取步长h=0.1
解:先作变换：令 z y ，代入上式，得一阶方程组
z z x
y
z,
y(0)
0,
z(0)
1
用四阶龙格-库塔方法求解,按式(7.37)及(7.38)
进行计算：
取步长h 0.1 ,x0 0 ,y0 0 ,z0 1 i0 时
yi
1
yi
h 6
(K1
2K2
2K3
K4)
zi
1
zi
h 6
(L1
2L2
2L3
L4
)
（7.33）
式中
K1 f (xi , yi , zi ) L1 g (xi , yi , zi )
一阶线性常微分方程组
一阶线性常微分方程组
一阶线性常微分方程组:
1.什么是一阶线性常微分方程组？
一阶线性常微分方程组是一组由若干一阶常微分方程组成的系统，这些方程采用同一组参数，其解可以由另一组函数作为其近似解。
2.一阶线性常微分方程组的性质
(1)一阶线性常微分方程组的性质是指当函数f(x)为一阶常数时，方程本身满足常数性。
(2)一阶线性常微分方程的的形式可以用dy/dx=bg(x)来表示，其中b 为常数，g(x)为函数。
(3)一阶线性常微分方程组的解是非线性的，因为它的解可以使用另一组函数替代d积分，以更快的速度解决问题。
3.一阶线性常微分方程组的应用
(1)一阶线性常微分方程组可用于解决复杂的物理、生物、经济和工程问题。
(2)一阶线性常微分方程组可以用于预测模型的动态变化。
(3)一阶线性常微分方程组可以用来描述复杂的流体力学系统的运动学。
(4)一阶线性常微分方程组可以用来分析复杂的社会系统变化。
(5)一阶线性常微分方程组可以被应用到生态学系统中，以研究物种及其数量在时间变化上的变化。
(6)一阶线性常微分方程组可以用于测量复杂系统中多种不同参数相互作用的结果，以更好的理解非线性的数据。
(7)一阶线性常微分方程组可以用于估计序列数据的运动趋势及其变化规律。
一阶常微分方程-高阶常微分方程-方程组-差分方程-偏微分方程模型
计可以通过
dN / dt r sN , s r
N
进行线性拟合。其中
Nm
dN / dt N / t
。而
模型的检验也可以通过这两个参数的估计
量与一个实际的人口数量之间进行比较加
以检验。
（5） 阻滞增长模型不仅能够大体上描述人 口及许多物种的变化规律，而且在社会经
济领域中有广泛的应用，如耐用消费品的 销售量也可以用此模型来描述。
新技术推广模型
一项新技术如何在有关企业中推广,是 人们最为关心的问题,也就是说,一旦一家企 业采用了一项新技术,那么行业中的其他企 业将以怎样的速度采用该技术？哪些因素 将影响到技术的推广？下面我们在适当的 条件下讨论此问题。
记p(t)为t 时刻采用该技术的企业数。并
设 p(t)连续可微。假设未采用该技术者之所 以决定采用该技术，是因为其已知有的企 业采用了该技术并具有成效。即是以“眼 见为实”作为决策依据的,亦即“示范效应” 在起作用。
增长率递增的现象），但是随着人口数的 增加，人口的年增长率将呈现逐年递减的 现象。再考虑到环境适应程度的制约，想 象人口的增长不可能超过某个度。
（2）对于其中常数增长率r 的估计可以使用 拟合或者参数估计的方法得到。
（3）在实际情况下，可以使用离散的近似 表达式 N (t) N0 (1 r)t 作为人口的预测表 达式。
在式 (1) 中，设
A A0ert ( A0 , r 0)
即自发支出有一个常数增长率r ，则式 (2) 的
解为
Y (t)
(
A0
r)
e t
Y0
(
A0
r)
e
t
由此可见：
(1)当
r
一阶微分方程的常见类型及解法
一阶微分方程的解法多样，包括分离变量法、常数变易法、 积分因子法等，灵活运用这些方法可以求解各种类型的一 阶微分方程。
02 一阶线性微分方程
一阶线性微分方程的标准形式
一阶线性微分方程的一般形式为：$y' + p(x)y = q(x)$，其中$p(x)$和 $q(x)$是已知函数，且$p(x)$在所考虑的区间上连续。
应用领域
物理学、化学、工程学等领域中的实际问题，如放射性衰变、化学反应速率、电路分析等。
04 一阶常系数线性微分方程 组
一阶常系数线性微分方程组的标准形式
一阶常系数线性微分方程组的一般形式为
$y' + p(x)y = q(x)$，其中$p(x)$和$q(x)$是已知函数，且$p(x)$和$q(x)$的系数是常数。
03
积分因子法：通过构造一个积分因子，将原方程转化为全微分方程，从而简化 求解过程。具体步骤包括：根据方程形式构造积分因子，将原方程两边同乘以 积分因子，得到全微分方程，求解全微分方程得到原方程的通解。
举例与应用
举例
求解一阶常系数线性微分方程组 $y' + 2y = x$。首先写出对应的齐次方程 $y' + 2y = 0$，求出齐次方程的 通解 $y = C_1e^{-2x}$。然后用常数变易法求出非齐次方程的特解 $y = frac{1}{2}x - frac{1}{4}$。最后将
通解和特解相加得到原方程的通解 $y = C_1e^{-2x} + frac{1}{2}x - frac{1}{4}$。
应用
一阶常系数线性微分方程组在物理学、工程学、经济学等领域有广泛应用。例如，在电 路分析中，一阶常系数线性微分方程组可以用来描述电路中电压和电流的关系；在经济 学中，一阶常系数线性微分方程组可以用来描述商品价格与供求关系之间的动态变化。
一阶常微分方程的数值求解
作业 利用Euler方法和R-K方法求解一个 常微分初值问题，并比较数值结 果，计算数值解和解析解的误差。
在 [ xk , xk 1 ] 内多取几个点，将它们的导数加权平均代 替 f ( x, y( x)) ，设法构造出精度更高的计算公式。
常用的是经典的 四阶R-K方法
y0 y( x0 ), xk 1 xk h yk 1 yk h (L1 2 L2 2 L3 L4 )/6
若 f 在 D {a x b,| y | } 内连续，且满足 Lip 条件：
dy f ( x , y) , y( x0 ) y0 , x [a, b] dx
L 0, s.t.| f ( x, y1 ) f ( x, y2 ) || y1 y2 | , 则上述问题的连续可
Matlab函数数值求解
[T,Y] = solver(odefun,tspan,y0)
其中 y0 为初值条件，tspan为求解区间；Matlab在数值求解 时自动对求解区间进行分割，T (向量) 中返回的是分割点的 值(自变量)，Y (向量) 中返回的是解函数在这些分割点上的函 数值。
solver 为Matlab的ODE求解器（可以是 ode45、ode23、
其中
L1 L2 L3 L4
f ( xk , yk ) f ( xk h / 2, yk hL1 / 2) f ( xk h / 2, yk hL2 / 2) f ( xk h, yk hL3 )
例3：利用四阶R-K方法求解例1与例2，并与Euler方法的 数值解进行比较。
y( xk 1 ) y( xk ) y( xk 1 ) y( xk ) dy O ( h) dx x h h k
一阶与二阶常系数线性微分方程及其解法
公式解法
公式法
通过求解特征方程p^2 - 4q = 0，得到通解y = C*exp(rx)，其中C和r是常数，exp(rx)是自然指数函数。
初始条件
在给定初始条件y(x0) = y0时，可以通过公式法求得特解。
初始条件与特解
初始条件的重要性
初始条件决定了微分方程的特解，对于一阶常系数线性微分方程来说，初始条件通常是指 y(x0) = y0。
一阶与二阶常系数线性微分 方程及其解法
目录
• 一阶常系数线性微分方程 • 二阶常系数线性微分方程 • 对比与联系 • 扩展与应用
01
一阶常系数线性微分方程
定义与公式
定义
一阶常系数线性微分方程是形如y' + P(x)y = Q(x)的方程，其中P(x)和Q(x) 是已知函数。
公式
一阶常系数线性微分方程的标准形式 是y' + py = q，其中p和q是常数。
初始条件与特解
初始条件
给定初始条件y(x₀) = y₀和y'(x₀) = y'₀，可以求解微分方程得到特解。
特解
满足初始条件的解称为特解。通过代入初始条件，可以得到特解的具体形式。
03
对比与联系
一阶与二阶方程的异同
一阶方程
y' = f(x)
二阶方程
y'' = f(x, y', y'')
相同点
两者都是描述函数y与自变量x之间的导数关系。
实际应用场景与案例
一阶方程应用场景
01
描述物体运动、化学反应速率等。
二阶方程应用场景
02
描述波动现象、弹簧振动等。
案例