专业常微分方程学习活动3 第一章初等积分法的综合练习全解
（完整版）常微分方程基本概念习题及解答
（完整版）常微分方程基本概念习题及解答§1.2 常微分方程基本概念习题及解答1．dxdy =2xy,并满足初始条件：x=0,y=1的特解。
解：ydy =2xdx 两边积分有：ln|y|=x 2+c y=e 2x +e c =cex 2另外y=0也是原方程的解，c=0时，y=0原方程的通解为y= cex 2,x=0 y=1时 c=1特解为y= e 2x .2. y 2dx+(x+1)dy=0 并求满足初始条件：x=0,y=1的特解。
解：y 2dx=-(x+1)dy 2y dy dy=-11+x dx 两边积分: -y1=-ln|x+1|+ln|c| y=|)1(|ln 1+x c 另外y=0,x=-1也是原方程的解x=0,y=1时 c=e特解：y=|)1(|ln 1+x c 3．dx dy =yx xy y 321++ 解：原方程为：dxdy =y y 21+31x x + y y 21+dy=31x x +dx 两边积分：x(1+x 2)(1+y 2)=cx 24. (1+x)ydx+(1-y)xdy=0解：原方程为： y y -1dy=-xx 1+dx 两边积分：ln|xy|+x-y=c另外 x=0,y=0也是原方程的解。
5．（y+x ）dy+(x-y)dx=0解：原方程为：dx dy =-yx y x +- 令xy =u 则dx dy =u+x dx du 代入有： -112++u u du=x 1dx ln(u2+1)x 2=c-2arctgu即 ln(y 2+x 2)=c-2arctg2x y . 6. x dxdy -y+22y x -=0 解：原方程为：dx dy =x y +x x ||-2)(1x y - 则令x y =u dx dy =u+ x dx du 211u - du=sgnx x1dx arcsin xy =sgnx ln|x|+c 7. tgydx-ctgxdy=0解:原方程为：tgy dy =ctgxdx 两边积分：ln|siny|=-ln|cosx|-ln|c| siny=x c cos 1=xc cos 另外y=0也是原方程的解，而c=0时，y=0. 所以原方程的通解为sinycosx=c. 8 dx dy +ye xy 32+=0 解：原方程为：dx dy =y e y 2e x 32 e x 3-3e 2y -=c.9.x(lnx-lny)dy-ydx=0解：原方程为：dx dy =x y ln xy 令xy =u ,则dx dy =u+ x dx du u+ x dxdu =ulnu ln(lnu-1)=-ln|cx| 1+lnx y =cy. 10. dxdy =e y x - 解：原方程为：dx dy =e x e y - e y =ce x 11 dxdy =(x+y)2 解：令x+y=u,则dx dy =dx du -1 dxdu -1=u 2 211u +du=dx arctgu=x+carctg(x+y)=x+c 12. dx dy =2)(1y x + 解：令x+y=u,则dx dy =dx du -1 dx du -1=21uu-arctgu=x+cy-arctg(x+y)=c. 13. dx dy =1212+-+-y x y x解: 原方程为：（x-2y+1）dy=(2x-y+1)dxxdy+ydx-(2y-1)dy-(2x+1)dx=0dxy-d(y 2-y)-dx 2+x=cxy-y 2+y-x 2-x=c 14: dx dy =25--+-y x y x 解：原方程为：（x-y-2）dy=(x-y+5)dxxdy+ydx-(y+2)dy-(x+5)dx=0dxy-d(21y 2+2y)-d(21x 2+5x)=0 y 2+4y+x 2+10x-2xy=c. 15:dxdy =(x+1) 2+(4y+1) 2+8xy 1+ 解：原方程为：dxdy =（x+4y ）2+3 令x+4y=u 则dx dy =41dx du -41 41dx du -41=u 2+3 dxdu =4 u 2+13 u=23tg(6x+c)-1 tg(6x+c)=32(x+4y+1). 16:证明方程y x dxdy =f(xy),经变换xy=u 可化为变量分离方程，并由此求下列方程：1）y(1+x 2y 2)dx=xdy2）y x dx dy =2222x -2 y x 2y+ 证明：令xy=u,则xdx dy +y=dxdu 则dx dy =x 1dx du -2x u ，有： u x dx du =f(u)+1)1)((1+u f u du=x1dx 所以原方程可化为变量分离方程。
常微分方程-第一章-初等积分法
黄丹
danh_m@
第一章
初等积分法
微分方程初值问题
y H = f (x; y )的含义 如果将 y 视为系统状态变量，则导数 y H 就是状态的变化率；如果 将自变量视为时间，微分方程 y H = f (x; y ) 可解释为：
=
y (x) 或 x = x(t); y = y (t)。
有：
C 的 速 度 矢 量 为 (xH (t); y H (t)), 则 b=
=
q
(xH (t))2 + (y H (t))2
xH (t) dy dx
s
1+
dy 2
dx
(1)
另：
=
at y x
(2)
黄丹
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黄丹
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第一章
初等积分法
微分方程是微积分的自然延续 微积分是人类科学史上一个划时代的重大发现 微积分在几何上的应用产生了微分几何 在物理上广泛和深入的应用产生了微分方程
黄丹
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第一章
初等积分法
微分方程是微积分的自然延续 微积分是人类科学史上一个划时代的重大发现 微积分在几何上的应用产生了微分几何 在物理上广泛和深入的应用产生了微分方程 微分方程是表达自然规律的一种最为自然的数学语言
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
黄丹
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第一章
初等积分法
物体下落问题 设质量为 m 的物体，在时间 t = 0 时，在距地 面高度为H 处以初始速度 v (0) = v0 垂直地面下落，求此物体下 落时距离与时间的关系。
常微分方程第一章 初等积分法
第一章 初等积分法方程对于学过中学数学的人来说是比较熟悉的，在初等数学中就有各种各样的方程，比如线性方程、二次方程、指数方程、对数方程、三角方程和方程组等等.这些方程都是要把研究的问题中的已知量和未知量之间的关系找出来，列出包含一个未知量或几个未知量的一个或者多个方程式，然后求取方程（组）的解.这里，方程（组）的解为常数.然而在实际生活中，常常出现一些特点和以上方程完全不同的问题.比如：求物体在一定条件下运动的规律（比如某物体做匀速直线运动，速度为5，求其位移变化的规律）；求满足一定条件（比如在某曲线任意点处的斜率为该点横坐标的2倍）的曲线的方程等等.物体运动规律、曲线方程在数学上是用函数关系来描述的，因此，这类问题就是要去寻求满足某些条件的一个或者几个未知函数.也就是说，凡是这类问题都不是简单地去求一个或者几个固定不变的数值，而是要求出一个或者几个未知的函数.在数学上，解决上述问题也需要建立方程，不过建立的是含有未知函数自变量、未知函数及未知函数的导数的方程（比如上述两个问题建立的方程为：5=dt ds ，x dxdy 2=），这类方程就叫做微分方程. 本章主要介绍微分方程的基本概念及几类简单的微分方程的解法.1.1 微分方程的基本概念300多年前，由牛顿(Newton,1642-1727)和莱布尼兹(Leibniz,1646-1716)所创立的微积分学，是人类科学史上划时代的重大发现.而微积分的产生和发展，又与求解微分方程问题密切相关.这是因为：微积分产生的一个重要动因来自于人们探求物质世界运动规律的需求.一般地，运动规律很难全靠实验观测认识清楚，因为人们不太可能观察到运动的全过程.然而，运动物体(变量)与它的瞬时变化率(导数)之间，通常在运动过程中按照某种己知定律存在着联系，我们容易捕捉到这种联系.而这种联系，用数学语言表达出来，其结果往往形成一个微分方程.一旦求出这个方程的解，其运动规律将一目了然.通过下面的例子，你将会看到微分方程是表达自然规律的一种最为自然的数学语言.例1 自由落体运动问题设质点B 作自由落体运动，即只考虑重力对物体的作用而忽略空气阻力等其它外力，设质点B 做垂直于地面的运动，取垂直地面向上的方向为s 正向，力和速度的正向亦如此.()t s s =表示B 在时刻t 的位置坐标，所以结合《数学分析》中所学的导数的物理意义知：()dt ds t s ='表示B 在时刻t 的即时速度，()22dts d t s =''表示B 在时刻t 的即时加速度.假设B 的质量为m ，重力加速度为g ，由牛顿第二定律得：()mg t s m -=''（‘-’表示方向相反与s g ），从而得到g dts d -=22 (1.1) 解之即可得到自由落体运动的位移公式，在(1.1)式两边对t 积分两次可得()21221C t C gt t s ++-=， (1.2) 其中1C 和2C 是两个独立的任意常数.可以验证(1.2)就是方程(1.1)的解.例2 求曲线的方程问题某曲线()x f y =过点()1,0，且其上每一点处的斜率都等于该点横坐标的2倍，求该曲线方程.分析：根据《数学分析》中所学的导数的几何意义及本题题意知：x y 2='. (1.3)且，当()100==f x 时，.(1.3)式可变形为xdx dy 2=上式两边直接对x 积分得C x y +=2. (1.4)把()100===f y x 时，代入(1.4)得1=C .于是所求曲线方程为12+=x y .可以验证上式就是方程(1.3)的解.上述两个例子中的关系式(1.1)和(1.3)中都含有未知函数的导数，它们都是微分方程.一般来说，微分方程就是联系自变量、未知函数以及未知函数的导数之间关系的等式.若其中的未知函数只含有一个自变量，则称为常微分方程；若未知函数含有两个或两个以上自变量，则称该微分方程为偏微分方程.本书所介绍的都是常微分方程，有时也简称为微分方程或方程.例如下面的方程都是常微分方程x dxdy 2= (1.5) 2211xy dx dy --= (1.6) ()()0=+''t x t x (1.7)02='+''y y y (1.8)在一个常微分方程中，未知函数最高阶导数的阶数，称为方程的阶.如：(1.5)、(1.6)是一阶微分方程，(1.7)、(1.8)是二阶微分方程.这样，一阶常微分方程的一般形式可表为()0,,='y y x F (1.9)如果在(1.9)中能将y '解出，则得到方程()y x f y ,=' (1.10)或()()0,,=+dy y x N dx y x M (1.11)(1.9)称为一阶隐式方程,(1.10)称为一阶显式方程，(1.11)称为微分形式的一阶方程.n 阶隐式方程的一般形式为()0,,,,,)(='''n y y y y x F (1.12) n 阶显式方程的一般形式为()()()1,,,,-'''=n n y y y x f y在方程(1.12)中，如果左端函数F 对未知函数y 和它的各阶导数y ′,y ″,…,y (n )的全体而言是一次的，则称为线性常微分方程，否则称它为非线性常微分方程.这样，一个以y 为未知函数，以x 为自变量的n 阶线性微分方程具有如下形式：()()()()()()x f y x P y x P y x P y n n n n =+'+++--111（1.13） 显然，方程(1.5)是一阶线性方程；方程(1.6)是一阶非线性方程；方程(1.7)是二阶线性方程；方程(1.8)是二阶非线性方程.在前面我们验证了(1.2)就是方程(1.1)的解、(1.4)就是方程(1.3)的解，下面我们给出微分方程的解的定义定义 1.1 设函数()x y ϕ=在区间I 上连续，且有直到n 阶的导数.如果把()x y ϕ=代入方程(1.12)，得到在区间I 上关于x 的恒等式，则称()x y ϕ=为方程(1.12)在区间I 上的一个解.这样，从定义1.1可以直接验证：1. 函数C x y +=2是方程(1.5)在区间()+∞∞-,上的解，其中C 是任意的常数.2. 函数()C x y +=arcsin sin 是方程(1.6)在区间()1,1+-上的解，其中C 是任意常数.又方程(1.5)有两个明显的常数解1±=y ，这两个解不包含在上述解中.3. 函数t C t C x sin cos 21+=是方程(1.7)在区间()+∞∞-, 的解，其中1C 和2C 是两个独立的任意常数.4. 函数212C x C y +=是方程(1.8)在区间()+∞∞-,上的解，其中1C 和2C 是两个独立的任意常数.这里，我们仅验证3，其余留给读者完成. 事实上，在()+∞∞-,上有()t C t C dxx d t C t C dt dx sin cos ,cos sin 212221+-=+-= 所以在()+∞∞-,上有022≡+x dt x d ， 从而该函数是方程(1.6)的解.从上面的讨论中，可以看到一个重要事实，那就是微分方程的解中可以包含任意常数，其中任意常数的个数可以多到与方程的阶数相等，也可以不含任意常数.我们把n 阶常微分方程(1.12)的含有n 个独立的任意常数n C C C ,,,21 的解()n C C C x y ,,,,21 ϕ=，称为该方程的通解，如果方程(1.12)的解()x y ϕ=不包含任意常数，则称它为特解.由隐式表出的通解称为隐式通解或通积分.由上面的定义，不难看出，函数C x y +=2，()C x y +=arcsin sin 和t C x cos 1=t C sin 2+分别是方程(1.5)，(1.6)和(1.7)的通解；函数212C x C y +=是方程(1.8)的隐式通解；而函数1±=y 是方程(1.8)的特解，12+=x y 是方程(1.3)的特解.由于通解中含有任意常数，所以不能完全准确的反映某一客观事物的规律性.要想完全准确的反映客观事物的规律性，必须确定这些任意常数的值.因此，要根据问题的实际情况，提出或找到确定这些常数的条件. 例如，例2中的“某曲线()x f 过点()1,0”即“()10=f ”就是这样的条件.下面我们寻找一下确定例1中方程(1.1)的通解中的任意常数1C 和2C 的条件. 由于质点作的是自由落体运动，所以根据物理知识可知，质点的初速度为0，即00==t dt ds ；另，可设质点距地面高度为H ，即()H s =0.根据这两个条件我们可以确定方程(1.1)的通解中的任意常数1C 和2C 的值.像这样能帮助确定通解中所含任意常数取值的条件叫做初始条件.求微分方程满足初始条件的解的问题称为微分方程的初值问题，有时也称为柯西（Cauchy ）问题.一阶微分方程的初值问题记作()⎪⎩⎪⎨⎧=='=.,,00y y y x f y x x 二阶微分方程的初值问题记作()⎪⎩⎪⎨⎧'='='=''==.,,,,0000y y y y y y x f y x x x x 对于一个n 阶方程，初值条件是()()()()()().,,,,1001000000--=''='''='=n n y x y y x y y x y y x y (1.14) 其中0x 是自变量的某个取定值，而()10000,,,,-'''n y y y y 是相应的未知函数及导数的给定值.于是n 阶方程的初值问题常记为 ()()()()()()()⎩⎨⎧=''='''='='''=---.,,,)(,)(,,,,,10010000001n n n n y x y y x y y x y y x y y y y x f y (1.15) 例3 求方程0=+''x x 的满足初值条件14,14-=⎪⎭⎫ ⎝⎛'=⎪⎭⎫ ⎝⎛ππx x 的解. 解 前面我们验证过t C t C x sin cos 21+=是方程的通解.在上式两边分别对t 求导后得t C t C x cos sin 21+-='将初始条件代入，得到方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=+12222122222121C C C C . 解得2,021==C C .故所求特解为t x cos 2=.微分方程解的几何意义为了便于研究方程解的性质，我们常常考虑解的图形.一阶方程(1.9)的一个特解()x y ϕ=的图形就是xoy 平面上的一条曲线，称为方程(1.9)的积分曲线，而通解()C x y ,ϕ=的图形是平面上的一族曲线，称为积分曲线族.以后，为了叙述简便，我们对解和积分曲线这两个名词一般不加以区别.本节要点：1．常微分程的概念，方程的阶、隐式方程、显式方程、线性方程，非线性方程.2．常微分方程解的定义，通解、特解、隐式通解.3．初值问题.4．解的几何意义：积分曲线（族）.习 题 1.11．指出下列方程的阶数，并判断是否是线性方程？（1）22x y y +=' （2）y x x y sin +='（3）x xy y y sin =-'' （4）()x y y y =+''+'''2（5）2231ds r d ds dr +=⎪⎭⎫ ⎝⎛ （6）03)(22=-+y dx dy x dx dy2．验证所给函数是否为相应方程的解.（1）5352+='x y ，C x x y ++=2523（C 为任意常数） （2）()0=++xdy dx y x ，xx C y 222-=（C 为任意常数） （3）22x y y +=''，xy 1= （4）1+=+'x y y ，x e x y -+=31.2 变量可分离方程从本节开始，我们讨论几类方程的解法.我们先从最简单的一阶微分方程()y x f y ,='开始.在上节例2中我们通过直接积分的办法得到方程x y 2='的通解，下面再看一个微分方程22xy dxdy = (1.16) 即dx xy dy 22=. (1.17)两边直接积分得⎰=dx xy y 22此时由于右端积分中含有未知函数y ，所以求不出来. 那怎么办呢？再观察一下方程(1.17)，发现右端的y x ,是乘积关系，我们可以通过将y x ,“分家”的办法来化解上述困难，为此，在(1.17)两边先乘以21y，将其变为 xdx y dy 22=， 这时变量y x ,已经“分家”了，分别位于等式两边，然后两边积分得C x y+=-21 即Cx y +-=21 (1.18) 其中，C 为任意常数.可以验证(1.18)就是方程(1.16)的解，而且是通解.一般地，如果一个一阶微分方程能写为()()dx x f dy y g = (1.19)的形式，也就是说能将方程中的变量y x ,分别整理到一块，形成两个“阵营”()阵营分别对应y x dy dx ,,，然后分列在等式两边，那么原方程就称为变量可分离方程.例如，方程0,,,2=+===+dy e x xydx yx dx dy e dx dy xy dx dy y y x 都是变量可分离方程．而方程()()0,,2=++++=+=dy e x dx y x e e dx dy y x x dx dy y y x 都不是变量可分离方程.下面我们看一看此类方程的解法.假定方程(1.19)中的()()y g x f ,都是连续的.设()x y ϕ=是方程(1.19)的解将其代入(1.19)中得恒等式()[]()()dx x f dx x x g ='ϕϕ.将上式两端积分，并将()x ϕ换为变量y ，得()()⎰⎰=dx x f dy y g .设()()()()则有的原函数分别为,,,x f y g x F y G()()C x F y G += (1.20)因此，方程(1.19)的解()x y ϕ=满足关系式(1.20).反之，如果()x y Φ=是由关系式(1.20)确定的隐函数，那么在()0≠y g 的条件下，()x y Φ=也是方程(1.19)的解.由上面的分析可知，当()0≠y g 时，微分方程(1.19)与隐函数方程(1.20)是同解方程.由于(1.20)中含有任意常数C ，所以(1.20)是微分方程(1.19)的隐式通解，亦称为方程(1.19)的通积分.在求解过程中，对于通积分(1.20)应该尽量把它演算到底，即用初等函数表达出来，但是，并不勉强从其中求出解的显式表达式.如果积分不能用初等函数表达出来，此时我们也认为微分方程(1.19)已经解出来了，因为从微分方程求解的意义上讲，留下的是一个积分问题，而不是一个方程问题了.注. 若存在0y ，使()00=y g ，则易见()00=y g 是方程(1.19)的一个特解，或称为常数解.例1 求解方程x ydx dy=.解 当0≠y 时，分离变量，方程化为x dxy dy=两端积分，得1ln ln C x y +=即Cx y ln ln =()0≠CCx y = ()0≠C另外，0=y 也是方程的解. 所以原方程得通解为Cx y = ()为任意常数C .例2 求解方程2211x y dx dy --=.解 当1±≠y 时，方程的通积分为C x dx y dy+-=-⎰⎰2211即()C x y +=arcsin sin ()为任意常数C .另外，1±=y 也是方程的常数解，但它们不包含在上述通解中.例3 求方程212-=y dx dy .的满足初始条件()()1000==y y 及的解.解 当1±≠y 时，方程通积分为1212C x y dy +=-⎰. 即 111C x y dy y dy +=+--⎰⎰ 111ln C x y y +=+- 111C x e y y +=+- x Ce y y =+-11 ()01≠±=C e C . 又1±=y 也是原方程的解，所以原方程通解为xxCe Ce y -+=11 ()为任意常数C . 为求满足初始条件()()1000==y y 及的解，以()00=y 、()10=y 分别代入通解，可解得1-=C 、0=C .所以满足()()1000==y y 及的解分别为x xee y +-=11、1=y . 另外，通解公式还能帮助我们得到积分曲线族的图形.例如，在例3的通解中，当C 为负数时，通解所对应的积分曲线位于带形区域11<<-y 之中；而当C 为正数时，它确定了两条积分曲线，其中一条定义于C x ln -<<∞-,它位于半平面1>y 上；另一条 定义于+∞<<-x C ln ，它位于半平面1-<y 上.图1-1描绘了所给方程的积分曲线的分布状况.图 1-1例4 求解方程()()01122=-+-dy x y dx y x .解 当()()01122≠--y x 时，分离变量得1122--=-y ydyx xdx . 积分，得方程的通解C y x ln 1ln 1ln 22+--=-即()()C y x=--1122()0≠C .易见1,1±=±=x y 为方程的解.所以原方程的通解为()()C y x=--1122()为任意常数C .例5 解方程2)(y x dxdy+=. 分析 此题中的y x ,不能分离，如何处理呢？既然不能分离，索性就把他们捆绑在一起，使用换元法处理.解 1,+==+dxdt dx dy t y x 则令. 原方程变为12+=t dxdt，分离变量得dx dt t =+112， 上式两边积分得C x t +=arctan ，所以所求通解为C x y x +=+)arctan( ()为任意常数C .例6 设降落伞从跳伞塔下落后, 所受空气阻力与速度成正比, 并设降落伞离开跳伞塔时速度为零. 求降落伞下落速度与时间的函数关系.解 设降落伞下落速度为v (t ).降落伞所受外力为F =mg -kv ( k 为比例系数). 根据牛顿第二运动定律F =ma ,得函数v (t )应满足的方程为kv mg dtdv m -=,初始条件为v |t =0=0.方程分离变量, 得mdtkv mg dv =-,两边积分, 得⎰⎰=-m dt kv mg dv ,1)ln(1C mt kv mg k +=--, 即t m k Ce km g v -+=(k e C kC 1--=),将初始条件v |t =0=0代入通解得kmg C -=, 于是降落伞下落速度与时间的函数关系为)1(t m k e km gv --=. 本节要点：1．变量可分离方程的特征． 2．变量可分离方程的解法：第一步 分离变量,将方程化成()()dx x f dy y g =的形式；第二步 两端积分:⎰⎰=dx x f dy y g )()(,设积分后得()()C x F y G +=； 第三步 求出由()()C x F y G +=所确定的隐函数()x y Φ=或()y x ψ=， 则()()C x F y G +=、()x y Φ=或()y x ψ=都是方程的通解, 其中()()C x F y G +=称为隐式(通)解.注：注意换元法的使用.3．解此类方程时要注意条件()0≠y g 或()0≠x f 所可能造成的解的丢失问题.习 题 1.21.求出下列方程的通解. （1）221xy y x dx dy+++=. （2）y y dxdy ln =. （3）yx e dx dy +=. （4） yx xy y dx dy 321++=. （5）0)1()1(=-++xdy y ydx x .（6）2)(1y x dx dy +=. （7）25--+-=y x y x dx dy . （8）0)1()1(=-++xdy y ydx x . （9）0cot tan =-xdy ydx .2.求下列方程满足给定初值条件的解： （1）1)0(),1(=-=y y y dxdy； （2）1)0(,02)1(22==+'-y xy y x ； （3）0)2(,332=='y y y ；（4）1)1(,0)()(2222-==+-+y dy yx x dx xy y . 3.证明方程)(xy f dxdy y x ==经过变换u xy =可化为变量可分离方程，并由此求解下列方程（1）xdy dx y x y =+)1(22（2）222222yx y x dx dy y x -+= 4.求一曲线，使其具有如下性质：曲线上各点处的切线与切点到原点的向径及x 轴可围成一个等腰三角形（以x 轴为底），且通过点)2,1(.5.人工繁殖细菌，其增长速度和当时的细菌数成正比.（1）如果4小时的细菌数即为原细菌数的2倍，那么经过12小时应有多少？ （2）如在3小时的时候，有细菌数410个，在5小时的时候有4104⨯个，那么在开始时有多少个细菌？1.3 齐次微分方程上一节，介绍了变量可分离方程的解法.有些方程，它们形式上虽然不是变量可分离方程，但是经过变量变换之后，就能化成变量可分离方程，本节介绍一类可化为变量可分离的方程——齐次方程.一、齐次方程 形如⎪⎭⎫⎝⎛=x y dx dy ϕ (1.21) 的方程称为一阶齐次微分方程.例如，方程yx yx dx dy -+=， xyy x x yy x dx dy sin sin2222-+=， ()022=++xydy dx y x，y x dxdyln ln -=. 可以分别变为xyx ydx dy -+=11， x y x y x y x y dx dy cos1sin 122⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛+=， 1-⎪⎭⎫⎝⎛--=x y x y dx dy ， xydx dy ln -=. 所以它们都是一阶齐次方程．下面我们看一下齐次方程的解法. 方程(1.21)的特点是它的右端是一个以x y 为变元的函数，我们将xy作为一个整体，作如下的变量变换令xyu =，即ux y =， 则有)(u dxduxu ϕ=+, 分离变量,得xdx u u du =-)(ϕ.两端积分,得⎰⎰=-x dx u u du )(ϕ.求出积分后,再将u 还原为xy,便得所给齐次方程的通解. 注：1.若存在常数0u ，使0)(00=-u u ϕ，则易知0u u =，即x u y 0=是方程(1.21)的解；另外还要注意验证0=x 是否是解？2.有时方程化成⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=y x dy dxϕ更为简便，参见例2. 例1 解方程dxdy xy dx dy x y =+22. 解 原方程可写成1)(222-=-=xy x yx xy y dx dy , 因此原方程是齐次方程.令u xy=, 则 ux y =，dxdu x u dx dy+=, 于是原方程变为12-=+u u dx du x u ,即1-=u u dx du x . 分离变量,得xdx du u =-)11(. 两边积分,得x C u u ln ln =+-，即C u xu +=ln ()为任意常数C .以xy代上式中的u ,便得所给方程的通解 C xyy +=||ln ()为任意常数C .例2 有旋转曲面形状的凹镜, 假设由旋转轴上一点O 发出的一切光线经此凹镜反射后都与旋转轴平行.求这旋转曲面的方程.解 如图1-2，设此凹镜是由xoy 面上曲线()()0:>=y x y y L 绕x 轴旋转而成,光源在原点. 在L 上任取一点()y x M ,, 作L 的切线交x 轴于A . 点O 发出的光线经点M 反射后是一条平行于x 轴射线. 由光学及几何原理可以证明OM OA =.图 1-2因为x y yOP PM OP AP OA -'=-=-=αcot , 而22y x OM +=.于是，得微分方程22y x x y y+=-', 整理得1)(2++=yx y x dy dx . 这是齐次方程. 问题归结为解齐次方程1)(2++=yx y x dy dx . 令v yx=, 即yv x =， 得12++=+v v dydv y v即12+=v dydv y . 分离变量，得ydy v dv =+12, 两边积分，得C y v v ln ln )1ln(2-=++, C yv v =++⇒12, 1)(22+=-⇒v v Cy , 即1222=-Cyv C y . 以yv x =代入上式, 得)2(22C x C y +=. 这是以x 轴为轴、焦点在原点的抛物线, 它绕x 轴旋转所得旋转曲面的方程为)2(222C x C z y +=+.这就是所求的旋转曲面方程.在一般情况下，如何判断方程()y x f dxdy,=是齐次方程呢?这相当于考虑，什么样的二元函数()y x f ,能化为形如⎪⎪⎭⎫⎝⎛y x ϕ的函数. 下面我们说明零次齐次函数具有此性质.所谓()y x f ,对于变元x 和y 是零次齐次式，是指对于任意0≠τ的常数，有恒等式()()()y x f y x f y x f ,,,0==τττ.因此，令x1=τ，则有()⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛≡x y x y f y x f ϕ,1,.从而，所谓齐次方程，实际上就是方程()y x f dxdy,=的右端()y x f ,是一个关于变元x 和y 的零次齐次式.如果我们把齐次方程称为第一类可化为变量分离的方程，那么我们下面要介绍第二类这种方程.二、可化为齐次方程的方程 形如⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++++=222111c y b x a c y b x a f dxdy (1.22)当021==c c 时是齐次方程，但当02221≠+c c 时就不是齐次方程了.下面我们将通过变量变换把(1.22)中的21,c c 消去，将方程(1.22)化成齐次方程.令βα+=+=Y y X x ,(βα,为待定常数) 则dY dy dX dx ==,.代入(1.22)得⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++++++++=2222211111c b a Y b X a c b a Y b X a f dX dYβαβα. 选取βα,使得⎩⎨⎧=++=++.0,0222111c b a c b a βαβα (1.23) 这是一个线性非齐次方程组，它的解与系数行列式有关. 如果02211≠=∆b a b a ，则(1.23)有唯一解，把βα,取为这组解，于是(1.22)就化成齐次方程⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=Y b X a Y b X a f dX dY2211.求出这个方程的解，并用变换y Y x X -=-=βα,代回，即可得(1.22)的解.上面的做法其实就是解析几何中的坐标平移.当0≠∆时，直线0111=++c y b x a与直线0222=++c y b x a相交于一点，将二式联立求得交点(βα,)，再作坐标平移，就把原点移到(βα,).又由于在坐标平移变换βα+=+=Y y X x ,下有=dx dy dXdY 成立，这样(1.22)就变成齐次方程了. 本节要点：1．一阶方程()y x f dxdy,=是齐次方程：右端函数()y x f ,是一个零次齐次函数． 2．齐次方程的解法： 第一步：先将原方程变形为⎪⎭⎫⎝⎛=x y dx dy ϕ； 第二步：通过变量替换xyu =再将方程化为变量可分离方程求解； 第三步：变量还原.3．一类可化为齐次方程的方程之解法.习 题 1.31．解下列方程(1)()02=-+xdy dx y x . (2)()0222=+-dy x dx xy y . (3)()xy dx dy y x 222=+. (4)yxx y y x tan =-'. (5)y dx dy x =-)2(. (6)25)1(12+=+-x x ydx dy . 2．解下列方程(1)()()03542=-+++-dy y x dx y x . (2)()5324++='+y x y y x .(3)0)324()12(=-+-++dy y x dx y x .(4)2122⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-='y x y y .(5) 0)823()732(2222=-+--+ydy y x xdx y x .4.一船从河边A 点驶向对岸码头O 点，设河宽a OA =，水流速度为ω，船的速度为v ，如果船总是朝码头O 点的方向前进，试求船的路线，并证明船能到达对岸O 点的充要条件ω>v .1.4 一阶线性微分方程本节讨论一阶线性方程的解法以及某些可以化成线性方程的类型. 一、一阶线性方程 一阶线性微分方程的形式是()()x Q y x P y =+'. (1.23)如果()0≡x Q ，那么()0=+'y x P y (1.24)称为一阶线性齐次方程. 如果()x Q 不恒为零，则称(1.23)为一阶线性非齐次方程.一阶线性非齐次方程的通解先考虑线性齐次方程(1.24)，注意这里“齐次”的含意与上节中的不同，这里指的是在(1.23)中不含“自由项”()x Q ，即()0≡x Q . 显然，(1.24)是一个变量可分离方程， 分离变量后得dx x P ydy)(-=, 两边积分, 得1)(||ln C dx x P y +-=⎰,即)( 1)(C dxx P e C Ce y ±=⎰=-, (1.25)这就是线性齐次方程的通解(积分中不再加任意常数).下面使用常数变易法求线性非齐次方程(1.23)的解.其想法是：当C 为常数时，函数(1.25)的导数，恰等于该函数乘以)(x P -,从而(1.25)为齐次方程(1.24)的解.现在要求是非齐次方程(1.23)的解，则需要该函数的导数中还要有一项等于()x Q .为此，联系到乘积导数的公式，可将(1.25)中的常数C 变易为函数()x u ，即令()⎰=-dxx P e x u y )( (1.26)为方程(1.23)的解，其中()x u 待定.将(1.26)代入方程(1.23)，有)()()()()()()()()(x Q e x u x P x P e x u e x u dxx P dx x P dx x P =⎰+⎰-⎰'---,化简得⎰='dxx P e x Q x u )()()(,C dx e x Q x u dxx P +⎰=⎰)()()(,于是非齐次线性方程的通解为])([)()(C dx e x Q e y dxx P dx x P +⎰⎰=⎰-,即dx e x Q e Ce y dx x P dx x P dx x P ⎰⎰⎰+⎰=--)()()()(. (1.27) 非齐次线性方程的通解等于对应的齐次线性方程通解与非齐次线性方程的一个特解之和.在求解具体方程时，不必记忆通解公式，只要按常数变易法的步骤来求解即可.例1 求方程y dxdyx =-)2(的通解. 解 这是齐次线性方程, 分离变量得2-=x dx y dy , 两边积分得C x y ln 2ln ln +-=，方程的通解为)2(-=x C y ()为任意常数C .例2 求解方程2x xydx dy +=. (1.28) 解 显然，这是一个一阶线性非齐次方程. 先求对应齐次方程xy dx dy =. 其通解为Cx y = ()为任意常数C .由常数变易法，令()x x u y =为方程(1.28)的解，代入得()()()2x x u x u x x u +=+'即()x x u ='积分得()C x x u +=221. 所以原方程(1.28)的通解为Cx x y +=321()为任意常数C . 例3 求方程25)1(12+=+-x x ydx dy 的通解. 解 这是一个一阶非齐次线性方程. 先求对应的齐次线性方程012=+-x y dx dy 的通解. 分离变量得12+=x dx y dy , 两边积分得()C x y ln 1ln 2ln ++=,齐次线性方程的通解为2)1(+=x C y ()为任意常数C用常数变易法. 把C 换成)(x u , 即令2)1)((+=x x u y , 代入所给非齐次线性方程,得2522)1()1(12)1(2)1(+=+⋅+-+⋅++⋅'x x u x x u x u21)1(+='x u ,两边积分,得C x u ++=23)1(32. 再把上式代入y =u (x +1)2中,即得所求方程的通解为])1(32[)1(232C x x y +++=.（法二）解 这里12)(+-=x x P ,25)1()(+=x x Q .因为 )1l n (2)12()(+-=+-=⎰⎰x dx x dx x P ,2)1ln(2)()1(+==⎰+-x e e x dx x P ,2321225)()1(32)1()1()1()(+=+=++=⎰⎰⎰⎰-x dx x dx x x dx e x Q dx x P , 所以通解为])1(32[)1(])([232)()(C x x C dx ex Q ey dxx P dxx P +++=+⎰⎰=⎰-()为任意常数C .为方便求解初值问题()()()⎩⎨⎧==+'00y x y x Q y x P y ， 常数变易法也可采用定积分形式.即(1.26)可取为()⎰=-xx dtt P ex u y 0)( （1.29）代入(1.23)并化简，得⎰='xx dtt P ex Q x u 0)()()(.积分得C ds es Q x u dtt P xx xx +=⎰⎰00)()()(，代入(1.29)得ds es Q eCey dtt P xx dt t P dt t P xx xx x x ⎰⎰-⎰-⎰+=00)()()()(将初值条件00,y y x x == 代入上式， 有0y C =，于是所求初值问题解为ds es Q eey y dtt P xx dt t P dt t P xx xx xx ⎰⎰-⎰-⎰+=00)()()(0)(或ds es Q ey y dtt P xx dt t P xx xx ⎰⎰-⎰+=00)()(0)( (1.30)例4 设函数()x f 在[)+∞,0上连续且有界，试证明：方程()x f y y =+'的所有解均在[)+∞,0上有界.证明 设()x y y =为方程的任一解，它满足初始值条件()[)+∞∈=,0,000x y x y ，于是，由公式(1.30)，它可以表示为()()()⎰---+=xx x t x x dt e t f ey x y 000我们只要证()x f 在[)+∞,0x 上有界即可. 设()[)+∞∈≤,0,x M x f .于是对[)+∞∈,0x x 有()()()⎰---+≤xx x t x x dt e t f ey x y 000⎰-+≤xx txdt e Mey 0()00x x x e e Me y -+=-()()010x x e M y ---+= M y +≤0.原题得证.二、伯努利(Bernoulli)方程 形如n y x Q y x P dxdy)()(=+ (1,0≠n ) (1.31) 的方程，称为伯努利方程.伯努利方程(1.31)是一种非线性的一阶微分方程，但是经过适当的变量变换之后，它可以化成一阶线性方程.在(1.31)两端除以n y ，得)()(1x Q y x P dxdyy n n=+--. 令n y z -=1，得线性方程)()1()()1(x Q n z x P n dxdz -=-+. 例5 求解方程yx x y dx dy 222+=. 解 这是一个伯努利方程. 两端同乘以y 2，得222x xy dx dy y +=. 令z y =2，代入上式得2x xzdx dz += 这个是线性方程，它的解为321x Cx z +=. 于是，原方程的解为321x Cx y +±= ()为任意常数C .本节要点：1．线性非齐次方程的解法本质是常数变易法，这种方法首先由拉格朗日提出，在常微分方程的解法上占有重要地位．2．伯努利方程实质上是一个可以通过变量替换化为线性方程的非线性方程．习 题 1.41．解下列方程：（1）x xy y 42=+' （2）23=+'ρρ （3）422x y y x =-' （4）x x y y sec tan =+' （5）yx dx dy+=1 （6）x e x y x y x -=++'23)1( （7）t i dt di 2sin 106=- （8）2)2(221-=--'x y x y ； （9）x e y y x =-')( 2．解下列伯努利方程（1）024=++'xy xy y （2）()x x y y dxdysin cos 2-=+ （3）2)(ln y x a x ydx dy -+ （4）5xy y dxdy =- （5）4)21(313y x y y -=+' （6）0)}ln 1({3=++-dx x xy y xdy . 3.设函数)(),(x f x p 在),0[+∞上连续，且0)(lim >=+∞→a x p x ，b a b x f ,()(≤为常数).求证：方程)()(x f y x p dxdy=+的一切解在),0[+∞上有界. 4.设)(x f 在),0[+∞上连续，且b x f x =+∞→)(lim ，又0>a .求证：方程)(x f ay dxdy=+ 的一切解)(x y ，均有ab x y x =+∞→)(lim . 5.设)(x y 在),0[+∞上连续可微，且有0)]()([lim =+'+∞→x y x y x试证：0)(lim =+∞→x y x .1.5 全微分方程及积分因子一、全微分方程 如果微分形式的一阶方程()()0,,=+dy y x N dx y x M (1.32)的左端恰好是一个二元函数()y x U ,的全微分， 即()()()dy y x N dx y x M y x dU ,,,+=， (1.33)则称方程(1.32)是全微分方程或恰当方程，而函数()y x U ,称为微分式的原函数.例如 方程0=+ydy xdx (1.34)就是一个全微分方程.因为它的左端恰是二元函数222y x +的全微分.全微分方程如何求解呢? 先看一下方程(1.34),由于它的左端是二元函数222y x +的全微分，从而方程可写成 0222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+y x d 若()x y y =是(1.34)的解，应有恒等式()0222≡⎪⎪⎭⎫⎝⎛+x y x d . 从而()C x y x ≡+22. （1.35）由此解出2x C y -±= ()为任意常数C .这说明，全微分方程(1.34)的任一解包含在表达式(1.35)中. 一般地，有如下定理定理1.1 假如()y x U ,是微分(1.33)的一个原函数，则全微分方程(1.32)的通积分为()C y x U =, (1.36)其中C 为任意常数.证明 先证 (1.32)的任一解()x y y =均满足方程(1.36). 因为()x y y =为方程(1.32)的解，故有恒等式()()()()()()0,,≡+x dy x y x N dx x y x M .因为()y x U ,为(1.33)的原函数，所以有()()0,≡x y x dU .从而()()C x y x U =,()为一常数C .于是，()x y y =满足(1.36).再证明(1.36)所确定的任意隐函数()x y y =均为方程(1.32)的解. 因为()x y y =是由(1.36)所确定的隐函数， 所以存在常数C ，使()()C x y x U ≡,.将上式微分并应用()y x U ,是(1.33)的原函数的性质，即有()()()()()()()0,,,≡+≡x dy x y x N dx x y x M x y x dU .从而()x y y =是方程(1.32)的解，定理证毕.根据上述定理，为了求解全微分方程(1.32)，只须求出它的一个原函数()y x U ,，就可以得到它的通积分()C y x U =,.下面介绍两种求原函数的方法. 1.求原函数的直接观察法在某些简单情形下，可以观察方程(1.32)的左端全微分形式直接求出它的一个原函数，从而得到它的通积分. 这要求熟记一些常见的二元函数的全微分公式.例如()xdy ydx xy d += 2x ydxxdy x y d -=⎪⎭⎫ ⎝⎛ 2y xdy ydx y x d -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ xy xdy ydx y x d -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ln22arctan y x xdy ydx y x d +-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ ()()22222l n y x y d y x d x y x d +-=+ 例1 求解方程()()022=+--++y x dy y x dx y x xdx .解 直接观察方程的左端，有 左端=2222yx xdyydx y x ydy xdx xdx +-++++()⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛=y x d y x d x d arctan ln 2121222 ()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=y x y x x d arctan ln 2121222. 所以，方程左端是一个全微分，原函数为()()yx y x x y x U arctan ln 2121,222+++=. 于是原方程的通解为()1222arctan ln 2121C yxy x x =+++ 即()C yxy x x =+++arctan 2ln 222()为任意常数C .2．求原函数的一般方法.定理1.2 如果方程(1.32)中的()()y x N y x M ,,,，在矩形区域b y y a x x R ≤-≤-00,:上连续可微，则方程(1.32)是全微分方程的充要条件是：在R 上有xNy M ∂∂≡∂∂ (1.37) 证明 （必要性）设(1.32)是全微分方程，则存在原函数()y x U ,，使得()()()dy y x N dx y x M y x dU ,,,+=dy yU dx x U ∂∂+∂∂=所以。
国家开放大学电大本科《常微分方程》网络课形考任务3试题及答案
国家开放大学电大本科《常微分方程》网络课形考任务3试题及答案形考任务3常微分方程学习活动3第一章 初等积分法的综合练习本课程形成性考核综合练习共3次，内容主要分别是第一章初等积分法的综合练习、第二章基本定理的综合练习、第三章和第四章的综合练习，目的是通过综合性练习作业，同学们可以检验自己的学习成果，找出掌握的薄弱知识点，重点复习，争取尽快掌握．要求：首先请同学们下载作业附件文档并进行填写，文档填写完成后请在本次作业页面中点击“去完成”按钮进入相应网页界面完成任务，然后请将所做完的作业文档以附件的形式上传到课程上，随后老师会在课程中进行评分。
一、填空题1．微分方程0)(43='-'+''y y y x y xy 是 二 阶微分方程． 2．初值问题00d (,)d ()y f x y x y x y ⎧=⎪⎨⎪=⎩的解所满足的积分方程是00(,)d x x y y f s y s =+⎰． 3．微分方程0d )ln (d ln =-+y y x x y y 是 一阶线性非齐次微分方程 ．（就方程可积类型而言）4．微分方程0d )2e (d e =++y y x x yy 是 全微分方程 ．（就方程可积类型而言）5．微分方程03)(22=+'+''x y y y 是 恰当倒数方程 ．（就方程可积类型而言） 6．微分方程y x xy sin d d 2=的所有常数解是Λ,2,1,0,±±==k k y π． 7．微分方程21d d y x y -=的常数解是 1±=y ． 8．微分方程x x y y x 122e-=-'的通解为)(e 1C x y x +=-． 9．微分方程2)(21y y x y '+'=的通解是221C Cx y +=. 10．一阶微分方程的一个特解的图像是 二 维空间上的一条曲线．二、计算题1．指出下列方程的阶数，是否是线性方程：（1） 22d d x y xy += 答：一阶，非线性（2）0d d d d 2d d 223344=+-x y x y x y 答：四阶，线性（3）t x x x x =++&&&&&& 答：三阶，非线性2．用分离变量法求解下列方程：（1）y x y -='e（2）0d cot d tan =-y x x y。
专业常微分方程学习活动3 第一章初等积分法的综合练习全解
常微分方程学习活动3第一章 初等积分法的综合练习本课程形成性考核综合练习共3次，内容主要分别是第一章初等积分法的综合练习、第二章基本定理的综合练习、第三章和第四章的综合练习，目的是通过综合性练习作业，同学们可以检验自己的学习成果，找出掌握的薄弱知识点，重点复习，争取尽快掌握．要求：首先请同学们下载作业附件文档并进行填写，文档填写完成后请在本次作业页面中点击“去完成”按钮进入相应网页界面完成任务，然后请将所做完的作业文档以附件的形式上传到课程上，随后老师会在课程中进行评分。
一、填空题1．微分方程0)(43='-'+''y y y x y xy 是 二 阶微分方程．2．初值问题00d (,)d ()yf x y x y x y ⎧=⎪⎨⎪=⎩的解所满足的积分方程是 00(,)d x x y y f s y s =+⎰ ．3．微分方程0d )ln (d ln =-+y y x x y y 是 一阶线性非齐次微分方程 ．（就方程可积类型而言）4．微分方程0d )2e (d e =++y y x x yy是 全微分方程 ．（就方程可积类型而言） 5．微分方程03)(22=+'+''x y y y 是 恰当导数方程 ．（就方程可积类型而言）6．微分方程y x x ysin d d 2=的所有常数解是 …±±==210k ，，π，k y ． 7．微分方程21d d y xy-=的常数解是 1±=y ．8．微分方程xx y y x 122e -=-'的通解为 ）（﹣C x x1+=e y ．9．微分方程2)(21y y x y '+'=的通解是 221C Cx y += ．. 10．一阶微分方程的一个特解的图像是 二 维空间上的一条曲线．二、计算题1．指出下列方程的阶数，是否是线性方程： （1）22d d x y xy+= 答：一阶，非线性（2）0d d d d 2d d 223344=+-xyx y x y 答：四阶，线性 （3）t x x x x =++&&&&&& 答：三阶，非线性2．用分离变量法求解下列方程： （1）yx y -='e解 通积分为C x y +=e e （2）0d cot d tan =-y x x y解 当tan cot 0y x ⋅≠时，分离变量，两端取积分得ln ||tan cot dy dxc y x =+⎰⎰即ln(sin )ln(cos )ln ||y x c =-+ 通积分为 sin cos .y x C ⋅= 另外，,2y k x k πππ==+是常数解，0,1,2,.k =±±L注: 在方程求解时，求出显式通解或隐式通解（通积分）即可，常数解可以不求。
常微分方程初等解法及其求解技巧
目 录摘 要 .............................................................. I 关键词 ............................................................. I Abstract ............................................................. I Key words ........................................................... I 1.前 言 ............................................................ 1 2.常微分方程的求解方法 .............................................. 1 2.1常微分方程变量可分离类型解法 ................................... 1 2.1.1直接可分离变量的微分方程 ................................... 2 2.1.2可化为变量分离方程 ......................................... 2 2.2常数变易法 ..................................................... 7 2.2.1一阶线性非齐次微分方程的常数变易法 ......................... 7 2.2.2一阶非线性微分方程的常数变易法 ............................. 8 2.3积分因子法 .................................................... 13 3.实例分析说明这几类方法间的联系及优劣 ............................ 14 3.1几个重要的变换技巧及实例 .. (15)3.1.1变dx dy 为dy dx................................................15 3.1.2分项组合法组合原则 ........................................ 16 3.1.3积分因子选择 .............................................. 17 参考文献 .......................................................... 18 致 谢 (19)常微分方程初等解法及其求解技巧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及其求解技巧的系统总结：先介绍求解常微分方程的几种初等解法，如变量分离法，常数变易法，积分因子法等，在学习过程中，通过对不同类型的方程求解，揭示常微分方程的求解规律.然后介绍几类方程求解中的变换技巧及规律，并通过实例来分析这几类方法之间的联系及优劣，从而能快速的找到最佳解法.关键词变量分离法常数变易法积分因子变换技巧Elementary Solution and Solving Skills of Ordinary DifferentialEquationAbstractOrdinary differential equations are important components of calculus and used extensively for the studies on specific issues. Ordinary differential equations are often resolved by the means of variable separation and both sides integral. If they are higher-order ones, we can reduce their order by proper variable substitution to solve this problem. This essay aims at concluding systematically the methods of different types of differential equations and its resoling skills. First of all, I’d would like to introduce several basic resolutions of differential equations, such as variable separation, constant threats, points factor, etc. In the process of learning, I’d like to reduce the law of resolving ordinary differential equations by resolving different types of equations. Then, we describe several equations resolutions and for transformation techniques and its laws, and we also analyze the advantages and disadvantages and connections by using the examples of these methods to be able to find the best solution quickly.Key wordsVariable separation; constant threats; points factor; transform techniques1.前 言数学发展的历史告诉我们，300年来数学分析是数学的首要分支，而微分方程又是数学分析的心脏，它还是高等分析里大部分思想和理论的根源.人所共知，常微分方程从它产生的那天起, 就是研究自然界变化规律、研究人类社会结构、生态结构和工程技术问题的强有力工具.它的发展历史也是跟整个科学发展史大致同步的.现在，常微分方程在很多学科领域内有着重要的应用，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质的研究、化学反应稳定性的研究等.这些问题都可以转化为求常微分方程的解，或者化为研究解的性质的问题.常微分方程具有广泛的社会实践性，无论是在各类学科领域上，还是在实际生产生活中，都有举足轻重的作用．它所涉及范围之广，致使前人对它做了很深入的研究．应用常微分方程理论已经取得了很大的成就，但是，它现有的理论也还远远不能满足需要，还有待进一步的发展，使这门学科的理论更加完善.微分方程是表达自然规律的一种自然的数学语言.它从生产实践与科学技术中产生，而又成为现代科学技术中分析问题与解决问题的一个强有力的工具.人们在探求物质世界某些规律的过程中，一般很难完全依靠实验观测认识到该规律，反而是依照某种规律存在的联系常常容易被我们捕捉到，而这种规律用数学语言表达出来，其结果往往形成一个微分方程，而一旦求出方程的解，其规律则一目了然.所以我们必须能够求出它的解.常微分方程的初等解法,既是常微分方程理论中有自身特色的部分，也与实际问题密切相关；恰当对初等解法进行归类，能正确而又敏捷地判断一个给定的方程属于何种类型，从而能按照所介绍的方法进行分解.总之，常微分方程属于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这重要位置，学好常微分方程基本理论与方法对进一步学习研究数学理论与实际应用均非常重要，因此本文对常微分方程的初等解法进行了简要归纳和分析，主要讨论变量分离方程，非恰当微分方程，线性微分方程，同时结合具体的实例，展示了初等解法在解题过程中的应用及其求解过程中的变换技巧和律. 2.常微分方程的求解方法2.1常微分方程变量可分离类型解法定义 1 如果一阶微分方程具有形式)()(y g x f dx dy=，则该方程称为可分离变量微分方程.若设0)(≠y g ，则可将方程化为dx x f y g dy)()(=.即将两个变量分离在等式两端.其特点是：方程的一端只含有y 的函数与dy ，另一端只含有x 的函数与dx .对于该类程，我们通常采用分离变量的方法来处理。
国家开放大学电大本科《常微分方程》网络课形考任务6试题及答案
国家开放大学电大本科《常微分方程》网络课形考任务6试题及答案形考任务6常微分方程学习活动6第三章一阶线性方程组、第四章n 阶线性方程的综合练习本课程形成性考核综合练习共3次，内容主要分别是第一章初等积分法的综合练习、第二章基本定理的综合练习、第三章和第四章的综合练习，目的是通过综合性练习作业，同学们可以检验自己的学习成果，找出掌握的薄弱知识点，重点复习，争取尽快掌握．要求：首先请同学们下载作业附件文档并进行填写，文档填写完成后请在本次作业页面中点击“去完成”按钮进入相应网页界面完成任务，然后请将所做完的作业文档以附件的形式上传到课程上，随后老师会在课程中进行评分。
一、填空题1．若A (x )在(-∞,+∞)上连续，那么线性齐次方程组Y A Y )(d d x x =，n R Y ∈的任一非零解在1+n R 空间 不能 与x 轴相交．2．方程组n x x xR Y R Y F Y ∈∈=,),,(d d 的任何一个解的图象是n + 1维空间中的一条积分曲线． 3．向量函数组Y 1(x ), Y 2(x ),…,Y n (x )线性相关的 必要 条件是它们的朗斯期行列式W (x )=0． 4．线性齐次微分方程组n x x x R Y R Y A Y ∈∈=,,)(d d ，的一个基本解组的个数不能多于n + 1 个． 5．若函数组)()(21x x ϕϕ，在区间),(b a 上线性相关，则它们的朗斯基行列式)(x W 在区间),(b a 上恒等于零 ．6．函数组⎩⎨⎧==x y x y cos sin 21的朗斯基行列式)(x W 是 x x x x x W sin cos cos sin )(-=． 7．二阶方程02=+'+''y x y x y 的等价方程组是⎪⎩⎪⎨⎧--='='y x xy y y y 2111． 8．若)(1x y ϕ=和)(2x y ϕ=是二阶线性齐次方程的基本解组，则它们 没有 共同零点．9．二阶线性齐次微分方程的两个解)(1x y ϕ=,)(2x y ϕ=成为其基本解组的充要条件是 线性无关（或：它们的朗斯基行列式不等于零） ．10．n 阶线性齐次微分方程线性无关解的个数最多为N 个．11．在方程y″+ p (x )y′+q (x )y = 0中，p (x ), q (x )在(-∞,+∞)上连续，则它的任一非零解在xOy 平面上可以与x 轴横截相交．12．二阶线性方程20y y y '''++=的基本解组是e ,e x x x --．13．线性方程0y y ''+=的基本解组是 cos ,sin x x ．14．方程02=+'+''y x y x y 的所有解构成一个 2 维线性空间．15．n 阶线性齐次微分方程的所有解构成一个 n 维线性空间．二、计算题1．将下列方程式化为一阶方程组（1）0)()(=++x g x x f x &&&（2）0)()()(321=+'+''+'''y x a y x a y x a y。
常微分方程的初等解法共18页文档
1．常微分方程的基本概况1.1.定义：自变量﹑未知函数及函数的导数（或微分）组成的关系式，得到的便是微分方程，通过求解微分方程求出未知函数，自变量只有一个的微分方程称为常微分方程。
1.2.研究对象：常微分方程是研究自然科学和社会科学中的事物、物体和现象运动﹑演化和变化规律的最为基本的数学理论和方法。
物理﹑化学﹑生物﹑工程﹑航空﹑航天﹑医学﹑经济和金融领域中的许多原理和规律都可以描述成适当的常微分方程。
如牛顿运动规律、万有引力﹑能量守恒﹑人口发展规律﹑生态总群竞争﹑疾病传染﹑遗传基因变异﹑股票的涨伏趋势﹑利率的浮动﹑市场均衡价格的变化等。
对这些规律的描述﹑认识和分析就归结为对相应的常微分方程的理论和方法不仅广泛应用于自然科学，而且越来越多的应用于社会科学各个领域。
1.3.特点：常微分方程的概念、解法、和其它理论很多，比如，方程和方程组的种类及解法、解的存在性和唯一性、奇解、定性理论等等。
下面就方程解的有关几点简述一下，以了解常微分方程的特点。
求通解在历史上曾作为微分方程的主要目标，一旦求出通解的表达式，就容易从中得到问题所需要的特解。
也可以由通解的表达式，了解对某些参数的依赖情况，便于参数取值适宜，使它对应的解具有所需要的性能，还有助于进行关于解的其他研究。
1.4.应用：现在，常微分方程在很多学科领域内有着重要的应用，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。
这些问题都可以化为求常微分方程的解，或者化为研究解的性质的问题。
应该说，应用常微分方程理论已经取得了很大的成就，但是，它的现有理论也还远远不能满足需要，还有待于进一步的发展，使这门学科的理论更加完善。
2.一阶的常微分方程的初等解法一阶常微分的初等解法包括变量分离方程与变量变换﹑可以化为变量分离方程的类型﹑线性微分方程与常数变易法﹑恰当微分方程与积分因子，下面我们就具体分析一阶常微分方程的初等解法。
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常微分方程学习活动3第一章 初等积分法的综合练习本课程形成性考核综合练习共3次，内容主要分别是第一章初等积分法的综合练习、第二章基本定理的综合练习、第三章和第四章的综合练习，目的是通过综合性练习作业，同学们可以检验自己的学习成果，找出掌握的薄弱知识点，重点复习，争取尽快掌握．要求：首先请同学们下载作业附件文档并进行填写，文档填写完成后请在本次作业页面中点击“去完成”按钮进入相应网页界面完成任务，然后请将所做完的作业文档以附件的形式上传到课程上，随后老师会在课程中进行评分。
一、填空题1．微分方程0)(43='-'+''y y y x y xy 是 二 阶微分方程．2．初值问题00d (,)d ()yf x y x y x y ⎧=⎪⎨⎪=⎩的解所满足的积分方程是 00(,)d x x y y f s y s =+⎰ ．3．微分方程0d )ln (d ln =-+y y x x y y 是 一阶线性非齐次微分方程 ．（就方程可积类型而言）4．微分方程0d )2e (d e =++y y x x yy是 全微分方程 ．（就方程可积类型而言） 5．微分方程03)(22=+'+''x y y y 是 恰当导数方程 ．（就方程可积类型而言）6．微分方程y x x ysin d d 2=的所有常数解是 …±±==210k ，，π，k y ． 7．微分方程21d d y xy-=的常数解是 1±=y ．8．微分方程xx y y x 122e -=-'的通解为 ）（﹣C x x1+=e y ．9．微分方程2)(21y y x y '+'=的通解是 221C Cx y += ．. 10．一阶微分方程的一个特解的图像是 二 维空间上的一条曲线．二、计算题1．指出下列方程的阶数，是否是线性方程： （1）22d d x y xy+= 答：一阶，非线性（2）0d d d d 2d d 223344=+-xyx y x y 答：四阶，线性 （3）t x x x x =++&&&&&& 答：三阶，非线性2．用分离变量法求解下列方程： （1）yx y -='e解 通积分为C x y +=e e （2）0d cot d tan =-y x x y解 当tan cot 0y x ⋅≠时，分离变量，两端取积分得ln ||tan cot dy dxc y x =+⎰⎰即ln(sin )ln(cos )ln ||y x c =-+ 通积分为 sin cos .y x C ⋅= 另外，,2y k x k πππ==+是常数解，0,1,2,.k =±±L注: 在方程求解时，求出显式通解或隐式通解（通积分）即可，常数解可以不求。
（3）⎩⎨⎧-==+-+1)1(0)d ()d (2222y y yx x x xy y解 当0,0x y ≠≠时, 方程可变为 y y y x x x d 1d 122+=+， 通积分为 11ln ||ln ||x y C x y -=-++ 或 11x y xCe y-=,上式代入初值条件1,1x y ==-.得2C e -=-. 于是初值问题解为 112x yx e ey--=-3．解下列齐次线性微分方程 （1）0d d )2(22=+-y x x xy y 解 显然0=x 是方程的解.当0≠x 时, 原方程可化为 222d d x xy y x y +-=. 令xy u =, 则原方程可化为u u xu x u 2d d 2+-=+, 即 x u u x u +-=2d d 易于看出, 0=u 1=u 是上面方程的解, 从而x y = 0=y 是原方程的解. 当02≠-u u 时, 分离变量得, x xuu u d d 2=+-. 两端积分得ln ln 1u Cx u =-(C 0≠) 将u 换成xy, 便得到原方程的解 ()Cy x x y =-, (C 0≠). 故原方程的通解为()Cy x x y =-（C 为任意常数）及 0=y .（2）y x x y y x tan=-'解 显然0=y 是方程的解. 当0≠y 时, 原方程可化为x y x y x y +=tan d d . 令xyu =, 则原方程可化为 u u x u x u +=+tan d d , 即 .tan d d xu x u =易于看出, 0=u 是上式的解, 从而0=y 是原方程的解.当0≠u 时, 分离变量得, xxu u d tan d =. 两端积分得 1ln sin ln u C x =(C 01≠). 将u 换成x y, 便得到原方程的解 sin y Cx x = (C 0≠). 故原方程的通解为 sin y Cx x =.4．解下列一阶线性微分方程： （1）422x y y x =-' 解 先解齐次方程 y xyx2d d =. 其通解为 2y Cx =. 用常数变易法, 令非齐次方程通解为 2()y C x x =. 代入原方程, 化简后可得.2)(x x C ='. 积分得到 2()C x x C =+.代回后即得原方程通解为 24y Cx x =+.（2）x x y y sec tan =+'解 先解齐次方程x y xytan d d -=. 其通解为 cos y C x =. 用常数变易法, 令非齐次方程通解为 ()cos y C x x =. 代入原方程, 化简后可得 '21()cos C x x=.积分得到 ()tan C x x C =+.代回后即得原方程通解为 sin cos y x C x =+.5．解下列伯努利方程 （1）024=++'xy xy y解 显然0=y 是方程解. 当0≠y 时, 两端同除4y , 得02d d 134=++x yxx y y . 令31y z =, 代入有 ,02d 3d =++-x xz x z 它的解为23e 21z x C +-= 于是原方程的解为233e 211x C y+-=，及.0=y （2）)sin (cos d d 2x x y y x y-=+解 显然0=y 是方程解. 当0≠y 时, 两端同除2y , 得0)sin (cos 1d d 12=--+x x yx y y . 令y z 1=, 代入有 0)sin (cos d d =-+-x x z xz 它的解为 x C z xsin e -=，于是原方程的解x C yx sin e 1-=， 及 .0=y6．解下列全微分方程：（1）0d )e 2(d e =+--y x y x yy解 因为xNy M y ∂∂=-=∂∂-e , 所以这方程是全微分方程, (,)M x y 及 (,)N x y 在整个xOy 平面都连续可微, 不妨选取00,x =00y =. 故方程的通积分为C y y x yxy=-⎰⎰d 2de ,即 C y x y=--2e .（2）0d 2cos d )2sin 1(2=--y x y x x y 解 因为2sin 2M Ny x y x∂∂==∂∂, 所以这方程是全微分方程, (,)M x y 及 (,)N x y 在整个xOy 平面都连续可微, 不妨选取00,x =00y =. 故方程的通积分为C y y x y yx=-+⎰⎰2d d )(1,即 22cos 2x y x C -=.7．求下列方程的积分因子和积分： （1）0d d )(22=-++y xy x x y x解 因为1M Ny x N x∂∂-∂∂=, 与y 无关, 故原方程存在只含x 的积分因子. 由公式（1. 58）得积分因子⎰=xx x d 1e)(μ，即(),x x μ=于是方程0d d )(22=-++y xy x x y x 为全微分方程.取 000,0x y = =. 于是方程的通积分为0d )(022=++⎰xx x y x x . 即 4322346x x x y C ++=.（2）0d d )(344=-+y xy x y x 解 因为5M Ny xN x∂∂-∂∂=-, 与y 无关, 故原方程存在只含x 的积分因子. 解方程由公式（1. 58）得积分因子⎰=-xx x d 5e)(μ，即51(),x xμ=于是方程 0d d )(143445=-+y xy x y x x 为全微分方程. 取 01,x = 00y =. 于是通积分为1031445d d )(1C y y x y x xy x=-+⎰⎰. 即4444ln ||y x x Cx =+. 8．求解下列一阶隐式微分方程 （1）x y y y y 22sin )2(='-'解 将方程改写为 2222(1cos )y y y y x ''-+=-即22222cos y yy y y x ''-+=或222(')cos y y y x -=解'cos y y y x =±得通积分为：ln sin Cy x x =±, 又0y =是常数解.（2）)1e (222-='-'xy y y y解 0y = 显然是方程的解. 当0y ≠时, 方程可变为1e )(2)(2-='-'x y y y y , 令y u y'=, 则上面的式子可变为1e 22-=-x u u . 解出u 得, x u e 1±=. 即x yy e 1±='. 对上式两端积分得到方程的通解为 C x y x +±=e 2ln9．求解下列方程（1）1)()(22+'''=''-'''y y y x解 令 p y ='', 则p y '='''. 代入原式得1)(22+'=-'p p p x . 解出p 得 12+'±'=p p x p .这是克莱洛方程，通解为1p xC =±即1y xC ''=解之得31236C y x C x C =±+ （123,,C C C 为任意常数）.（2）01)(2=+'-''y y y解 化简得 ()10yy ''+=， 即 1yy x C '=-+求积分得 22211()222C y x C =--++. 2212()y x C C +-=或.三、证明题1．设函数)(x p ，)(x f 在),0[∞+上连续，且0)(lim >=+∞→a x p x ，b x f ≤)( （a , b 为常数）．求证：方程 )()(x f y x p y =+' 的一切解在),0[∞+上有界． 证明 设y =y (x )是方程任一解，且满足y (x 0)=y 0, 则⎰⎰⋅⎰+⎰=--xx dtt p dss p dss p ds es f eey x y sx xx xx 0000)()()(0)()(由于0)(lim >=∞→a x p x ，所以对任意ε＞0,存在1x ＞x 0,使得x ＞1x 时 有εε+<<-<a x p a )(0令εε+=-=a a a a 21,，则⎰⎰+⎰≤-xx dt a dsa ds e s f ey x y sxxx 1211)()(0于是得到120)(20)1()(12M ab y e a by x y x x a =+≤-+≤-- 又在[x 0，x 1]上y (x )有界设为M 2，现取 ),m ax (21M M M =， 则 [)+∞∈≤,,)(0x x M x y2．设)(x f 在),0[∞+上连续，且0)(lim =+∞→x f x ，求证：方程)(d d x f y xy=+ 的一切解)(x y ，均有0)(lim =+∞→x y x ．证明 设)(x y y =是方程任一解，满足00)(y x y =，该解的表达式为00ed e )(e)()(0x x x x x s x x s s f y x y ---⎰+=取极限00e d e )(lime lim)(lim )(0x x x x x s x x x x x s s f y x y --+∞→-+∞→+∞→⎰+==⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∞==∞<+⎰⎰∞---+∞→∞-000000d e )(,0e e )(lim d e )(,00)()()(x x s x x x x x x x s s s f x f s s f 若若四、应用题1．按牛顿冷却定律：物体在空气中冷却的速度与物体温度和空气温度之差成正比, 已知空气温度为c ο30, 而物体在15分钟内由100c o 冷却到 70c o , 求物体冷却到40c o 所需的时间. 2．重为100kg 的物体，在与水平面成30︒的斜面上由静止状态下滑，如果不计磨擦，试求： （1）物体运动的微分方程；（2）求5 s 后物体下滑的距离，以及此时的速度和加速度．1． 解 设物体在时刻t 的温度为()T T t =，由题意()T t 满足初值问题⎪⎩⎪⎨⎧=--=100)0()30(d d T T k t T其中k 为常数．解得 ktt T -+=e30)(设物体冷却到40℃所需时间为1t ，于是由(15)70T =得40e703070e 703015=+=+--ktk解得 1t ≈52分钟.2．解 取初始下滑点为原点，Ox 轴正向垂直向下，设 t 时刻速度为 ()v v t =, 距离为()x x t =, 由题意()v t 满足初值问题⎪⎩⎪⎨⎧==0)0(30sin d d 0v g tv 解得 ()2gv t t = 再由(0)0,dx x v dt ==解得 2()4g x t t = 于是得到5秒后， 62.5x m ≈，25/v m s ≈ , 25/dva m s dt=≈．。