微分方程


这一章很有意思,不同于前几章的“基础”,这一章更像是介绍“基础之上的情况”,就是各种各样的可能以及其各种各样的解法

而微分方程则是指y,y‘,y’‘等导数“同台表演”的方程(和物理学很有关系)

所以核心思想就是,通过变形代换等手段凑出能够积分的形式,再积分得到能解的方程,再解方程


微分方程的基本概念

微分方程的阶

微分方程中出现的未知函数最高阶导数的阶数

微分方程的解

微分方程解出来的就叫解

通解

若解中含有任意常数,且任意常数的个数与微分方程的阶数相同,则该解称为通解(可以用线性无关的特性记忆)

初值条件

因为通解的常数并不是确定的值,所以需要题目给定“当

x=2,y=2,y’=1”之类的条件,这类条件被称为初值条件

特解

因为有初值条件和通解,所以代入后能得到一个特解(特解是无穷多个的,因为常数不确定)


可分离变量的微分方程


这一节的核心在于凑能积分的形式,是所谓微分方程的基础

原本我们所学的是y‘,但实际上y’ = dy / dx,这也就是为什么叫微分方程,而不是导数方程,因为在微分的形式下进行分离x和y(自变量和因变量),再对两边进行积分,最终能还原到我们熟悉的形式进行方程的求解


常见过程

  1. 从f(x)* dy/dx = g(y)( 或f(x)*y’ = g(y) )的形式,变为g(y)dy=f(x)dx的形式

  2. 对g(y)dy=f(x)dx两边同时求积分,得到G(y)=F(x)+C


齐次方程

上文的分离变量型会遇到一种情况,就是无法分离成g(y)和f(x)的时候(换句话说就是xy粘连在一起了分不了)观察次数,如果是每一项都齐次的话

比如xy和y^2^就是齐次的

那就把dy/dx放在一边,另一边是一个分数,可以上下同除某个东西(具体情况得具体分析),得到一个类似这样的

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把y/x看做一个整体,用u代换掉

这里的目的是为了让y和x粘连在一起的东西变成一个因变量,这样就可以看做u和x的微分方程了

利用y/x=uy=ux这一点我们可以对两边求导,最终会得到dy/dx=xxx这么一个式子

xxx是关于du和dx的式子

最后再将上图等号左边的dy/dx替换成xxx,左右只剩du,dx,u,x,且不粘连,那么最终又变成了可分离变量的微分方程,最后得出原G(u),F(x)后,只需把u=y/x代回即可


一阶线性微分方程

他长这样

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齐次与非齐次

若Q(x)为0,则称该方程齐次

若Q(x)不为0,则称该方程非齐次


未完待续…