高等数学：第十二章 第1节 微分方程的基本概念
微分方程的基本概念
3．具有初始条件的微分方程： 此类微分方程的特点是给定了某些函数值 ，如 都是给定的数（称为初值） 等，其中 y0 ， y0 y x x y0 ， y x x y0 。此时所求出
0 0
的微分方程的解称为微分方程的特解，不包含任意常数 C 。
注 1：微分方程的特解不包含任意常数 C ，因为此时可利用初始条件将常数 C 变 为确定的数。
例 1：解微分方程
现将初始条件 y x 0 1 代入通解 y x 2 C ，得： 1 02 C ，从而有 C 1 于是，该微分方程的特解为 y x 2 1
注：解具有初始条件的微分方程大致分为两步：求出微分方程的通解（此时无需
理会初始条件） ；代入初始条件求得特解。
第一节 微分方程的基本概念
1．微分方程：微分方程主要处理未知函数、未知函数的导数与自变量间的关系。
例 1：
dy 2 x 为一阶微分方程。 dx
例 2： x
d2y dy x2 4 x 3x 3 为二阶微分方程。 2 dx dx
注：微分方程的阶数等于方程中的导数的最高阶数。 2．微分方程的通解：微分方程中的通解包含任意常数，且任意常数的个数等于 微分方程的阶数。
再将初始条件 y x 1 2 代入 y
于是，该微分方程的特解为 y
先将初始条件 y x 1 3 代入 y x 2 C1 ，得： 3 12 C1 ，从而有 C1 2 于是有 y
x3 x3 C1 x C2 2 x C2 3 3
x3 13 1 2 x C2 ， 得：2 2 1 C2 ， 从而有 C2 3 3 3 x3 1 2x 3 3
d2y 例 2：解微分方程 2 2 x 。 dx
微分方程—微分方程的基本概念(高等数学课件)
2
把 2 、x的表达式代入方程后成为一个恒等式，
这说明： = 1 + 2 ,是微分方程的解，并且是通解.
课程小结
微分方程的定义
微分方程的阶
（常微分方程，偏
微分方程）
微分方程的解
（通解，特解，
定解条件）
= −0.2 2 + 20.
微分方程的阶，解
例1：验证函数 = 1 +
2
2 ,是微分方程 2
+ 2 = 0的解.
解：求出所给函数的导数
= −1 + 2 ,
2
2
2
=
−
−
2
1
其中 ，−1 ⋯ ，1 ， ()， 是关于的函数.
微分方程的阶，解
微分方程的阶：方程中所含有未知函数导数（或微分）的最高阶数.
一般的，n阶微分方程的形式：
, , ′ ， ⋯ () = 0, 或 () = , , ′ , ⋯ (−1) .
等式，那么函数 = 是微分方程的解.
例：
通解：
2
= −0.4
2
= 3,
=
3 2
2
3
+ ，
3
2
特解： = 2 + 2 .
= −0.2 2 + 1 + 2 ，
= −0.2 2 + 20.
微分方程的阶，解
通解：微分方程的解中含有任意常数，且独立的任意的常数的个数
等于该方程的阶数.
特解：当通解中各任意常数都取定值时所得的解.
微分方程基本概念介绍
微分方程基本概念介绍微分方程（Differential equation）是数学中研究函数与其导数（或称微商）之间的关系的方程。
它在物理学、工程学、经济学等领域有广泛的应用。
本文将就微分方程的基本概念进行介绍。
一、微分方程的定义微分方程是一个含有未知函数及其导数的方程。
一般形式为F(x, y, y', y'', ...) = 0，其中x是自变量，y是未知函数，y'、y''分别表示一阶、二阶导数。
二、微分方程的类型1.第一阶微分方程：形式为dy/dx = f(x)的微分方程，它包含一阶导数，最高阶数为1；2.第二阶微分方程：形式为d²y/dx² = f(x)的微分方程，它包含二阶导数，最高阶数为2；3.常系数微分方程：系数与自变量无关的微分方程，如dy/dx + ay = 0；4.线性微分方程：未知函数及其导数只有一次项且可相加，如y''+ p(x)y' + q(x)y = f(x)；5.非线性微分方程：未知函数及其导数有非线性项的微分方程，如y' = y²。
三、解微分方程的方法1.可分离变量法：将方程重写成形式dy/f(y) = g(x)dx，然后分别对x和y积分；2.齐次微分方程法：将微分方程转化为全微分形式dz = P(x, y)dx + Q(x, y)dy，其中P和Q为关于x和y的函数，然后求z的通解；3.一阶线性微分方程法：利用一阶线性微分方程的特性，找到形如y = u(x)v(x)的通解；4.常系数线性微分方程法：对于常系数微分方程，可通过特征方程求得特解；5.变量代换法：通过变量代换将微分方程转化为更简单的形式，再进行求解；6.数值解法：对于无法解析求得的微分方程，可以通过数值计算方法求得近似解。
四、微分方程的应用微分方程广泛应用于物理学、工程学、经济学等领域。
它可用于描述动力学系统、电路网络、人口变化、物质传输等各类问题。
微分方程的基本概念
微分方程的基本概念微分方程的基本概念一、微分方程的定义微分方程是描述自变量和它的某些函数之间关系的方程，其中包含了这些函数在某一点上的导数或者微分。
二、微分方程的分类1.按照未知函数个数分类：(1) 一阶微分方程：只涉及一个未知函数及其导数。
(2) 二阶微分方程：涉及一个未知函数及其前两个导数。
(3) 高阶微分方程：涉及一个未知函数及其前n个导数。
2.按照系数是否含有自变量分类：(1) 常系数微分方程：系数不含有自变量。
(2) 变系数微分方程：系数含有自变量。
3.按照解析解是否存在分类：(1) 可解析求解的微分方程：存在精确解式。
(2) 不可解析求解的微分方程：不存在精确解式，需要采用近似方法求解。
三、常见一阶线性微分方程1. 标准形式：$$\frac{dy}{dx}+p(x)y=q(x)$$其中，$p(x)$和$q(x)$均为已知函数，$y=y(x)$为未知函数。
2. 求解步骤：(1) 求出齐次线性微分方程的通解：$\frac{dy}{dx}+p(x)y=0$(2) 求出非齐次线性微分方程的一个特解。
(3) 通解为齐次通解加上特解。
四、常见一阶非线性微分方程1. 可分离变量的微分方程：$$\frac{dy}{dx}=f(x)g(y)$$将式子两边同时积分即可求出通解。
2. 齐次微分方程：$$\frac{dy}{dx}=f(\frac{y}{x})$$其中，$f(u)$是关于$u$的已知函数，将$y=ux$代入原式中，化简后得到一个变量可分离的微分方程，进而求出通解。
3. 一阶线性微分方程：$$\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)y^n$$其中，$P(x)$和$Q(x)$均为已知函数。
通过变量代换和积分可以求出其通解。
五、常见二阶线性微分方程1. 标准形式：$$y''+py'+qy=f(x)$$其中，$p(x),q(x),f(x)$均为已知函数。
2. 求解步骤：(1) 求出其对应的齐次线性微分方程的通解：$y''+py'+qy=0$(2) 求出非齐次线性微分方程的一个特解。
高等数学第十二章微分方程
dy 1 dy y 2 y 2 。这是贝努利方程， 解出 ? ，得 dx x dx
对于这些类型的方程，它们各自都有固定的解法。如
果所给的方程按上述思路不能转化为已知类型的方程，这 时常用的方法和技巧如下： A.熟悉常用的微分公式； B.选取适当的变量代换，转化成上述可解类型的方程； C．变换自变量和因变量（即有时把 y看成自变量，而 考虑
dx 的方程类型）。 dy
一阶微分方程的解题方法流程图如下。
解题方法流程图
求Pdx Qdy 通解 0 Yes 可分离变量 No Yes
P Q y x
dy 解出 dx = f ( x, y )
No
可分离变 量方程
全微分 方程
齐次方程
dy y ( ) dx x
dy P ( x ) y Q( x ) dx
一阶线性方程
dy P ( x ) y Q( x ) y n dx
dy y （2）齐次方程： dx x
dy P ( x ) y Q( x ) （3）一阶线性微分方程： dx
dy n （4）伯努利方程： P ( x ) y Q( x ) y ( n 0,1) dx
（5）全微分方程：P ( x , y )dx Q( x , y )dy 满足 ,0
y dy du u x 解：令 u ,于是 y ux , ,上式可化为 x dx dx
du 1 u cos u u x sec u u dx cos u
du sec u , 为可分离变量的方程 即x dx
分离变量 积分得 所以 故原方程的通解为
dx cos udu x sin u ln x ln C
微分方程的基本概念
微分方程的基本概念微分方程是数学中一类重要的方程，它揭示了变量之间的关系以及如何随时间、空间或其他变量的变化而变化。
通过解微分方程，我们可以了解并预测诸如物理系统、工程问题、经济模型等领域中的现象和行为。
一、微分方程的定义和形式微分方程是描述函数及其导数之间关系的方程。
一般形式为：dy/dx = f(x)其中，y是关于自变量x的未知函数，f(x)表示它的导数。
微分方程还可以包括更高阶导数和多个变量。
二、微分方程的分类根据微分方程中出现的未知函数和导数的阶数，可以将微分方程分为常微分方程和偏微分方程。
1. 常微分方程常微分方程仅包含未知函数的一阶或高阶导数。
根据方程中的未知函数和导数的个数，常微分方程又可分为一阶常微分方程和高阶常微分方程。
一阶常微分方程的一般形式为：dy/dx = f(x, y)或者dy/dx = g(x)高阶常微分方程的一般形式为：dⁿy/dxⁿ = f(x, y, dy/dx, d²y/dx², ..., dⁿ⁻¹y/dxⁿ⁻¹)其中，n为正整数。
2. 偏微分方程偏微分方程包含多个未知函数和其偏导数。
它们通常描述多变量函数的行为，例如描述传热问题、波动现象等。
常见的偏微分方程有泊松方程、热传导方程、波动方程等。
三、微分方程的解解微分方程意味着找到满足方程的函数。
根据方程类型和求解方法，解可以分为显式解和隐式解。
1. 显式解显式解是对于给定的自变量x，能够直接计算得到的解析表达式。
例如，一阶常微分方程dy/dx = f(x)的显式解为y = F(x)，其中F(x)是f(x)的一个不定积分。
2. 隐式解隐式解是对于给定的自变量x，无法直接解析计算的解。
通常，隐式解可以通过化简方程或使用特定的数值和计算方法来获得。
四、微分方程的应用微分方程是数学在自然科学、工程技术和社会科学等领域中广泛应用的工具。
以下是微分方程在几个领域的应用示例：1. 物理学微分方程在物理学中有广泛的应用，如牛顿第二定律、电动力学中的麦克斯韦方程、量子力学中的薛定谔方程等都可以表示为微分方程，用于研究物理系统的运动、力学性质和量子态等。
微分方程认识微分方程的基本概念与解法
微分方程认识微分方程的基本概念与解法微分方程：认识微分方程的基本概念与解法微分方程是数学中的一个重要分支，广泛应用于物理、工程、生物等领域。
本文将介绍微分方程的基本概念和解法，以帮助读者对微分方程有更深入的认识。
一、微分方程的定义和分类微分方程是含有未知函数及其导数的方程。
一般可分为常微分方程和偏微分方程两类。
常微分方程仅涉及一个独立变量，而偏微分方程则涉及多个独立变量。
常微分方程还可根据阶数进行分类，其中阶数为二的方程较为常见。
例如，一阶线性微分方程可表示为dy/dx + p(x)y = q(x)，其中p(x)和q(x)是已知函数；二阶线性微分方程可表示为d²y/dx² + p(x)dy/dx +q(x)y = r(x)，其中p(x)，q(x)，和r(x)是已知函数。
二、解微分方程的基本方法1. 可分离变量法当微分方程可通过分离变量后进行变量代换，使之变为两个纯变量相乘的形式时，可利用可分离变量法解方程。
具体步骤为将方程两端分离相乘并求积分，最后解出未知函数。
2. 线性微分方程的齐次与非齐次解法线性微分方程是指可写成dy/dx + p(x)y = q(x)形式的方程。
对于齐次线性方程dy/dx + p(x)y = 0，可通过变量代换将其转化为一阶可分离变量方程进行求解。
对于非齐次线性方程dy/dx + p(x)y = q(x)，可通过常数变易法求得非齐次线性微分方程的一个特解，并将通解与特解相加得到最终解。
3. 常系数线性微分方程的解法常系数线性微分方程是指方程中的系数与自变量无关。
一般形式为dⁿy/dxⁿ + a₁dⁿ⁻¹y/dxⁿ⁻¹ + ... + an-1dy/dx + any = 0。
解常系数线性微分方程的方法是先猜解，再通过代入方程进行求解。
4. 齐次线性微分方程的解法齐次线性微分方程是指方程中非齐次项为零的方程。
解齐次线性微分方程的方法是先猜解，再通过代入方程进行求解。
微分方程基本概念
微分方程基本概念微分方程是数学中重要的概念，它在各个科学领域中都有广泛的应用。
本文将介绍微分方程的基本概念以及一些基本解法。
一、微分方程的定义微分方程是包含未知函数及其导数的方程。
形式上，微分方程可以表示为：F(x, y, y', y'', ..., y^(n)) = 0其中，x是自变量，y是未知函数，y', y'', ..., y^(n)是y的一阶到n阶导数，F是关于x、y、y'、y''等的函数。
二、微分方程的类型根据微分方程中未知函数的阶数，可以将微分方程分为常微分方程和偏微分方程两类。
常微分方程中的未知函数只与自变量的一个变量有关，而偏微分方程中的未知函数与自变量的多个变量有关。
常微分方程按照阶数又可以分为一阶微分方程、二阶微分方程等。
一阶微分方程中只包含一阶导数，表示为：dy/dx = f(x, y)二阶微分方程中包含一阶和二阶导数，表示为：d^2y/dx^2 = f(x, y, dy/dx)三、微分方程的解解微分方程的过程被称为求解微分方程。
根据微分方程的形式和特点，可以使用不同的解法。
1. 可分离变量法对于可分离变量的一阶微分方程，可以通过分离变量的方式求解。
将方程两边分开，然后进行积分，最后解出未知函数的表达式。
2. 齐次方程法对于形如dy/dx = f(x, y)/g(x, y)的一阶微分方程，如果f(x, y)和g(x, y)在全平面上具有相同的齐次性质，即对任意常数k，f(kx, ky) = k^mf(x, y)和g(kx, ky) = k^n g(x, y)，则可以使用齐次方程法求解。
3. 线性微分方程法对于形如dy/dx + P(x)y = f(x)的一阶线性微分方程，可使用线性微分方程法求解。
通过乘以一个积分因子将方程化为可积的形式，并通过积分求解。
4. 变量分离法、公式法、特征值法等对于不同类型的微分方程，还有其他一些特定的解法。
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是微分方程
d2x dt2
k2x
0
的解
,
并求满足初始条件
x
t0 A ,
dx dt
t 0 0 的特解 .
x C1 cos kt C2 sin kt 是方程的通解 .
利用初始条件易得 C1 A, C2 0 , 故所求特解为
x Acos k t
9
例2. 已知曲线上点 P(x,y) 处的法线与 x 轴交点为Q ,
11
练习与思考题
1、函数 y 3e 2 x 是微分方程 y 4 y 0的什么解?
解答：
y 6e2x , y 12e2x , y 4 y 12e2x 4 3e2x 0, y 3e2x 中不含任意常数,
故为微分方程的特解. 12
2、二阶微分方程 y 4 y 3y 0 试问下列函数
微分方程引言
《高等数学》课程的教学内容到现在我们已经学习了哪些内 容？一元函数微积分、多元函数微积分、向量代数和空间解析 几何以及无穷级数，下面我们将学习高等数学的最后一部分内 容——微分方程。
第十二章 微分方程
通过前面的学习我们知道，微积分的研究对象是函数关系， 利用微积分可以解决许多实际问题，但是，在现实生活及科学 研究中，仍有大量的实际问题往往很难直接得到所研究变量的 函数关系，却能比较容易建立起这些变量与他们的导数或微分 关系，从而得到一个关于未知函数的导数或微分的方程，这就 是微分方程。通过求解这种方程同样可以得到指定未知量的函 数关系。因此微分方程是数学联系实际，并应用于实际的重要 途径和桥梁，是各学科进行科学研究的强有力的工具
解: 设列车在制动后 t 秒行驶了s 米 , 即求 s = s (t) .
已知
d 2s dt2
0.4
s t0 0 ,
ds dt
t 0 20
由前一式两次积分,可得
s 0.2 t 2 C1 t C2 ( C1 , C2 为任意常数 )
利用后两式可得 C1 20, C2 0 , 因此所求运动规律为 s 0.2 t2 20 t
2、只有一个自变量的微分方程称为常微分方程。
3、方程中所含未知函数导数的最高阶数叫做微分 方程的阶.
x2 ( y)2 xy y 0 二 阶
y ( y)4 xy 0 三阶
5
引例1
d d
y x
2x
y x1 2
y x2 C
y x2 1
引例2
d 2s dt2
0.4
s t0 0 ,
ds dt
d2x dt2
C1k 2 cos kt
C2k 2 sin
kt
k 2 (C1 sin kt C2 cos kt ) k 2 x
这说明 x C1 cos kt C2 sin kt 是方程的解 .
显然
C1
,
C2是两个独立的任意常数
,
故它是方程的通解 8
例1. 验证函数 x C1 cos kt C2 sin kt ( C1 , C2 为常数)
1. y c1ex c2e3x 2. y ex 3. y e3x 4. y cex
是否是方程的解,是通解还是特解?
解: 分别将四个函数代入方程,均 左边=右边
则这四个函数均为方程的解.
y c1ex c2e3x 其中有两个任意常数是方程的通解.
y ex c1 1,c2 0 是方程的特解.
问题: （1）能否求出制动后多少时间列车才能停住 ？
（2）制动后行驶了多少路程 .
引例1
d y 2x dx y x1 2
引例2
d 2s dt2
0.4
s t0 0 ,
ds dt
t 0 20
几 个 基 本 概 念:
1、含未知函数及其导数或微分的方程叫做微分方程 ,
如 y xy2 , xdy ydx 0
解: 设所求曲线方程为 y = y(x) , 则有如下关系式:
d y 2x
①
dx
y x1 2
②
由 ① 得 y 2x d x x2 C (C为任意常数)
由 ② 得 C = 1 , 因此所求曲线方程为 y x2 1. 3
引例2. 列车在平直线路上以 20 m s 的速度行驶,制动时 获得加速度 a 0.4 m s2 ,求制动后列车的运动规律.
且线段PQ 被 y 轴平分, 求该曲线满足的微分方程 .
解: 如图所示, 点 P(x,y) 处的法线方程为 y
Y y 1 (X x)
P
y
令 Y = 0 , 得 Q 点的横坐标
Qo xx
X x yy
x yy x
即
yy 2x 0
10
四、小结
微分方程; 微分方程的阶; 微分方程的解; 通解; 初始条件; 特解; 初值问题; 积分曲线;
t 0 20
s 0.2t 2 C1t C2
s 0.2t 2 20t
4、若函数代入方程能使方程成为恒等式 , 则称此函数为 微分方程的解。
（1）解中所含独立的任意常数的个数与方程的阶数 相同 , 这样的解称为微分方程的通解 ; （2）不含任意常数的解称为特解。
5、用来确定 特解的条件称为初始条件; 6
1
本章我们主要介绍微分方程基本概念、几种特殊一阶微分方 程及二阶方程求解方法及简单的应用。 下面我们学习第一节内容：微分方程的基本概念。
第一节 微分方程基本概念 在这节中，我们首先给出两个引例，然后给出微分方程的 基本概念，重点是通过引例对微方程基本概念的理解。
2
第一节 微分方程的基本概念
引例1: 一平面曲线通过点(1,2) 处,且该曲线上任意点 P(x, y)处的切线斜率为 2x , 求该曲线的方程 .
y e3x c1 0,c2 1 是方程的特解.
对 n 阶方程有n个初始条件
y(x0) y0 , y(x0) y0 , , y(n1) (x0) y0(n1)
6、微分方程解的图形称为方程的积分曲线 .
通解的图形就是积分曲线族,
特解的图形就是积分曲线族中的一条确定
的曲线, 如例1中。
微分方程 d y 2x dx
通解 y x2 C
初始条件 y x1 2
特解 y x2 1
积分曲线族见黑板所示：
7
例1. 验证函数 x C1 cos kt C2 sin kt ( C1 , C2 为常数)
是微分方程
d2x dt2ຫໍສະໝຸດ k2x0的解
,
并求满足初始条件
x
t0 A ,
dx dt
t 0 0 的特解 .
dx
解: d t C1k sin k t C2k cos k t