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单元(恰当方程)
第二章? 初等积分法
微分方程的一个中心问题是“求解”。但是,微分方程的求解问题通常并不是容易解决的。本章的主要内容是介绍一阶常微分方程的初等解法(通常称为初等积分法), 即把微分方程的求解问题化为积分问题,用积分的方法求常微分方程的解。刘维尔在1841年证明了大多数微分方程不能用初等积分法求解,但初等积分法仍一直被认为是常微分方程中非常有用的基本解题方法之一。这是因为,一方面,能用初等积分法求解的方程虽属特殊类型,然而它们却反映了实际问题中出现的微分方程的相当部分;另一方面,掌握这些方法与技巧,也是学好本课程和其他数学分支的基本训练之一。本章的任务就在于介绍若干能有初等解法的方程类型及其求解的一般方法和技巧。
§1 恰当方程
微分方程的一个中心问题就是求解,计算不定积分就是解最简单的微分方程,这是积分学中的问题,但是在解微分方程时,如果直接积分,得
.
一般说来,由此得不出任何结果,因为右端的积分号内包含有未知函数.因此解微分方程与求积分有不同之处,但是解微分方程是积分法的发展,二者是互相联系的.在求微分方程时,应去发现微分方程的求解问题与积分问题的联系,创造条件把某些微分方程的求解问题转化为积分问题,即求原函数的问题.这是解微分方程的一种方法,习惯上称为微分方程的初等积分法.
下面将一阶方程写成微分形式,或把平等看待,写成下面具有对称形式的一阶微分方程
??? (2.1.1)
这里假设在某矩形域内是的连续函数,且具有连续的一阶偏导数。
联想起二元函数微积分学中的全微分表达式:,如果
, (2.1.2)
则方程(2.1.1)的左端恰好是函数的全微分
。
那么不论其中的与是独立变量,还是存在着某种函数关系,我们总能对等式积分,得到
(2.1.3)
称(2.1.3)为(2.1.1)的一个通积分,此时称方程(2.1.1)为恰当方程,或全微分方程.
例1 求解微分方程 .
解 显然 ,所以上面的方程即,故求得通积分 .
对于例1这样一个简单的微分方程,我们可以通过观察法求解.在一般情况下,需要解决的问题是:
(1) 对于一个方程(2.1.1),如何判断它是或者不是恰当方程?
(2) 若(2.1.1)是恰当方程,又如何求得相应全微分的原函数?
(3) 若(2.1.1)不是恰当方程,能不能想办法把它变成恰当方程?
以上(1),(2)两个问题,其实早在线积分的理论中就已解决了.
事实上,若(2.1.1)是恰当方程,则存在函数,使得
,
从而得
, (2.1.4)
将(2.1.4)的第一式和第二式分别对和求偏导数,得到
, (2.1.5)
假设具有连续的一阶偏导数与,则和是连续的,从而可得 ,
故 (2.1.6)
反之,设满足条件(2.1.6),我们来寻找满足(2.1.4)的函数.由(2.1.4)的第一式有
(2.1.7)
其中函数待定.
先选取,使寻找的函数也满足(2.1.4)的第二式,即,再利用条件(2.1.6),有
,
即 ,
故只要取 ,
代入(2.1.7),得到
(2.1.8)
(2.1.8)即为所要找的满足关系式(2.1.4)的函数,从而(2.1.1)为恰当方程.
类似地,如果在构造函数时,先考虑(2.1.4)式的第二式成立,则可以用同样的方法得到满足(2.1.4)的另一函数
(2.1.9)
如此,我们就得到了下面的
定理1 设函数和在区域
上连续,且有连续的一阶偏导数与,则微分方程(2.1.1)为恰当方程的充要条件为恒等式
(2.1.6)
在内成立,且(2.1.6)成立时,方程(2.1.1)的通积分为
(2.1.10)
或者
(2.1.11)
其中是中任意取定的一点.
例2.求解微分方程:。
解 因为,所以原方程是全微分方程.
取,原方程的通积分为
,
即 。
例3
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