怎样判断可分离变量微分方程

第二节 可分离变量微分方程可分离变量方程

第七章

dy f1 ( x) f 2 ( y ) dx M1 ( x)M 2 ( y) d x N1 ( x) N 2 ( y) d y 0转化

解分离变量方程 g ( y) d y f ( x) d x目录 上页 下页 返回 结束

分离变量方程的解法:

g ( y ) d y f ( x) d xg ( ( x)) ( x) d x f ( x) d x两边积分, 得

①

设 y= (x) 是方程①的解, 则有恒等式

f ( x) d x

设左右两端的原函数分别为 G(y), F(x), 则有 ②

当G(y)与F(x) 可微且 G (y) g(y) 0 时, 说明由②确定的隐函数 y= (x) 是①的解. 同样, 当 F (x) = f (x)≠0 时, 由②确定的隐函数 x= (y) 也是①的解.

称②为方程①的隐式通解, 或通积分.目录 上页 下页 返回 结束

例1. 求微分方程

的通解.

dy 2 3 x d x 说明: 在求解过程中 解: 分离变量得 y 每一步不一定是同解 变形, 因此可能增、 两边积分 减解. 或 3 ln y x C1 得即

令C

第二节 可分离变量的微分方程

教学目的：熟练掌握可分离变量的微分方程的解法 教学重点：可分离变量的微分方程的解法 教学难点：可分离变量的微分方程的解法 教学内容：

本节开始,我们讨论一阶微分方程

y??f(x,y) (1)

的一些解法.

一阶微分方程有时也写成如下的对称形式:

P(x,y)dx?Q(x,y)dy?0 (2)

在方程(2)中,变量x与y对称,它既可以看作是以为x自变量、y为未知函数的方程

dyP(x,y)?? (Q(x,y)?0), dxQ(x,y)也可看作是以x为自变量、y为未知函数的方程

dxQ(x,y)?? (P(x,y)?0), dyP(x,y)

在第一节的例1中，我们遇到一阶微分方程

dy?2x， dx或 dy?2xdx. 把上式两端积分就得到这个方程的通解：

y?x2?C。

但是并不是所有的一阶微分方程都能这样求解。例如，对于一阶微分方程

dy?2xy2 （3） dx就不能像上面那样

数学

6.2 典型的一阶微分方程. 6.2.1 可分离变量的微分方程一、可分离变量方程dy f1 ( x) f 2 ( y ) dx M1 ( x)M 2 ( y) d x N1 ( x) N 2 ( y) d y 0转化

解分离变量方程 g ( y) d y f ( x) d x

数学

可分离变量的微分方程.

g( y )dy f ( x )dx4 4 dy 例如 2 x 2 y 5 y 5 dy 2 x 2dx , dx

解法 设函数 g ( y )和 f ( x ) 是连续的,

g( y )dy f ( x )dx

分离变量法

设函数G ( y ) 和F ( x ) 是依次为 g ( y ) 和 f ( x ) 的原函 数, G ( y ) F ( x ) C 为微分方程的解.

数学

二、典型例题例1.求微分方程 的通解. 解: 分离变量得 两边积分

dy 3 x 2 d x 说明: 在求解过程中 y或

得即

ln y x C13

每一步不一定是同解 变形, 因此可能增、 减解.

令C e

C1

ln y x ln C3

( C 为任意常数 )

( 此式含分离变量时丢失的解 y = 0 )

数学

数学

6.2 典型的一阶微分方程. 6.2.1 可分离变量的微分方程一、可分离变量方程dy f1 ( x) f 2 ( y ) dx M1 ( x)M 2 ( y) d x N1 ( x) N 2 ( y) d y 0转化

解分离变量方程 g ( y) d y f ( x) d x

数学

可分离变量的微分方程.

g( y )dy f ( x )dx4 4 dy 例如 2 x 2 y 5 y 5 dy 2 x 2dx , dx

解法 设函数 g ( y )和 f ( x ) 是连续的,

g( y )dy f ( x )dx

分离变量法

设函数G ( y ) 和F ( x ) 是依次为 g ( y ) 和 f ( x ) 的原函 数, G ( y ) F ( x ) C 为微分方程的解.

数学

二、典型例题例1.求微分方程 的通解. 解: 分离变量得 两边积分

dy 3 x 2 d x 说明: 在求解过程中 y或

得即

ln y x C13

每一步不一定是同解 变形, 因此可能增、 减解.

令C e

C1

ln y x ln C3

( C 为任意常数 )

( 此式含分离变量时丢失的解 y = 0 )

数学

课程安排：2学期，周学时 4 , 共 96 学时. 主要内容：定积分的计算 要求：听课 、复习 、 作业 本次课题（或教材章节题目）：第七章 微分方程 第一讲 微分方程的基本概念 教学要求： 微分方程的基本概念以及微分方程阶的概念。 重 点：微分方程的基本概念，微分方程阶的概念 难 点： 微分方程的概念； 微分方程阶的概念 教学手段及教具：讲授为主 讲授内容及时间分配： 1 复习 15分钟 2 微分方程的问题举例 30分钟 3 微分方程概念以及阶数练 45分钟 课后 作业 参考 资料 定积分的概念与性质 一、复习导数和高阶导数的概念 二、微分方程问题举例及引出 函数是客观事物的内部联系在数量方面的反映?利用函数关系又可以对客观事物的规律性进行研究?因此如何寻找出所需要的函数关系?在实践中具有重要意义?在许多问题中?往往不能直接找出所需要的函数关系?但是根据问题所提供的情况?有时可以列出含有要找的函数及其导数的关系式?这样的关系就是所谓微分方程?微分方程建立以

第十二章 微分方程

一、内容提要

（一）主要定义

【定义12.1】 微分方程 表示未知函数、未知函数的导数与自变量之间的关系的方程,叫做微分方程.未知函数是一元函数的叫做常微分方程； 未知函数是多元函数的叫做偏微分方程.

【定义12.2】 微分方程的阶 微分方程中出现的未知函数的最高阶导数的阶数,称为微分方程的阶.

一般形式为： Fx,y,y?,y??,?,y标准形式为：y?n??(n)??0.

??fx,y,y?,?,y?n?1?.

?【定义12.3】 微分方程的解 若将函数y???x?代入微分方程使其变成恒等式 即 F?x,??x?,???x????n???x????0,

或者 ??n??x????x?,?,??n?1??x?? f?x,?x,?????则称y???x?为该方程的解.

根据y?y?x?是显函数还是隐函数 ,分别称之为显示解与隐式解.若解中含有任意常数,当独立的任意常数的个数正好与方程的阶数相等时该解叫做通解(或一般解)；不含有任意常数的解叫特解.

【定义12.4】 定解条件 用来确定通解中任意常数的条件称为定解条件,最常见的定解条件是初始条件.

例

【例1

案例研究二：马钢发行分离交易可转换债券

2006年11月7日，马钢股份刊登了发行分离式可转债的募集说明书并最终完成了分离可转换债券募集资金的融资操作.成为中国证券市场发行分离交易可转换债券的先例。 一、马钢公司简介

马鞍山钢铁股份有限公司是我国特大型钢铁联合企业之一，安徽省最大的工业企业。1993年，马钢作为我国首批9家规范化股份制试点企业之一，成功地进行了股份制改制，重组分立为马鞍山马钢总公司和马鞍山钢铁股份有限公司，马鞍山钢铁股份有限公司分别在香港联交所和上海证券交易所上市。其在上海证券交易所的股票简称马钢股份，股票代码为600808。

1998年，马钢总公司改制为马钢（集团）控股有限公司。经过50年的艰苦创业、自我积累和滚动发展，马钢形了铁、钢、材800万吨配套生产规模，总资产近300亿元。拥有世界先进水平的冷热轧薄板生产线、高速线材生产线、我国最先进的热轧大H型钢生产线和亚洲最大的车轮轮箍专业生产厂。2001年马钢在全省率先突破销售收入100亿元大关，2003年铁钢材产量分别达到544.6万吨、605.9万吨和556.3万吨，集团实现销售收入167亿元，实现税后利润27.9亿元，在国内冶金行业居第二位。2005年钢产

P10习题

1.用Euler法和改进的Euler法求u’=-5u (0≤t≤1),u(0)=1的数值解，步长h=0.1,0.05;并比较两个算法的精度。

解：function du=Euler_fun1(t,u) du=-5*u;clear;

h=0.1;tend=1;N=1/h;t(1)=0;u(1)=1; t=h.*(0:N); for n=1:N

u(n+1)=u(n)+h*Euler_fun1(t(n),u(n)); end

plot(t,u,'*');hold on for n=1:N

v(1)=u(n)+h*Euler_fun1(t(n),u(n)); for k=1:6

v(k+1)=u(n)+h/2*(Euler_fun1(t(n),u(n))+Euler_fun1(t(n+1),v(k))); end

u(n+1)=v(k+1); end

plot(t,u,'o');

sol=dsolve('Du=-5*u','u(0)=1'); u_real=eval(sol); plot(t,u_real,'r');

将上述 h 换为0.05得：

由图像知道:

显然改进的Euler法要比Euler法

1.答：对于底坡i=0、 i>0条件下均质潜水含水层二维流，渗流宽度不变，而渗流厚度h沿流向变小。而根据渗流连续性原理，可知q=常量。

那么，由裘布依微分方程

q??Kh?H ?x

可知??H沿流向将变大，即水头线越来越弯曲,其形状H为一上凸的曲线。?x

由此，可知习题6-1图所示的水头线形状不正确，图中红色曲线为正确的水头线形状。

(a) (b)

习题6-1图

2.答：

(a)对于底坡i>0条件下均质潜水含水层二维流，渗流宽度不变，而渗流厚度h沿流向变小。而根据渗流连续性原理，可知q=常量。 那么，由裘布依微分方程

q??Kh?H ?x

可知?

?H沿流向将变大，即水头线越来越弯曲, 其形状为一上凸的曲线。?x

(a) (b)

习题6-2图

(b)对于底坡i>0条件下均质潜水含水层二维流，渗流宽度不变，而渗流厚度h沿流向不变。根据渗流连续性原理，可知q=常量。 那么，由裘布依微分方程

q??Kh?H ?x可知??H沿流向将不变，水头线H为一斜直线。?x

(c)对于底坡i>0条件下均质潜水含水层二维流，渗流宽度不变，而渗流厚度h沿流

第三节 微分方程模型

本节介绍确定性动态系统的微分方程建模。首先回顾物理领域的微分方程模型，然后介绍今非物理领域的微分方程模型。

一、徽分方程应用举例

人们对于微分方程的研究，早在十六七世纪微积分建立的时候就已经开始了，在17世纪和18世纪初得到了迅速的发展，成为研究自然现象的有力的工具。早期的研究与几何及力的研究关系密切。在17、18世纪，人们借助于微分方程，在力学、天文学、物理学等领域中，取得了重要的成就。

在一些应用问题中， 往往不能直接找出所需要的函数关系。 但是，可以根据问题所提供的线索，列出含有待定函数及其导数的关系式，称这样的关系式为微分方程模型。给出微分方程模型之后，对它进行研究，找出未知函数这一过程称为解微分方程。

下面给出的几个问题都是与时间t有关。对于一个依赖于时间t的量y的情况， 建立一个关于

，y与t的关系式， 它在任何时刻均成立。对这个方程积分， 便得到一个只含

的新方程。新方程中含有积分常数， 并且对于任何特定的t仍然成立。

。对于任何确

有y和t而不含

然后，利用问题中的一些特定信息，确定这些积分常数，于是，得函数定的t0，都可以算出

。

一般来说，求解一个应用问题时，可以按照如下步骤：