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阿力木江。胡达拜迪论文
新疆师范大学数理信息学院2009届数学与应用数学专业毕业论文
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微分方程,积分方程和代数方程的关系
新疆师范大学数理信息学院数学与应用数学04-5班
作者姓名:阿力木江·胡达拜迪
指导教师:伊尔夏提
2009年5月4日
微分方程,积分方程和代数方程的关系
阿力木江·胡达拜迪
新疆师范大学数理信息学院数学与应用数学0-5班
摘 要:本文对微分方程,积分方程的思想方法作一些讨论并阐述了拉普拉斯变换的基本原理,讨论了它在解微分方程(组)初值问题,解积分方程方面的应用,建立了微分方程,积分方程和代数方程的一种关系。其方法是先取拉普拉斯变换把微分方程或积分方程化为象函数的代数方程,根据该代数方程求出象函数,再取拉普拉斯逆变换就得出原来微分方程或积分方程的解。
关键词:微分方程;积分方程;代数方程;拉普拉斯变换;象函数
微分方程,积分方程和代数方程的关系
1、微分方程的简介
凡含有自变量,未知函数以及未知函数的导数(或微分)的方程,叫做微分方程。当微分方程中的未知函数是一元函数时,称为常微分方程;若未知函数是多元函数是,方程称为偏微分方程。
常微分方程一般地记为:
(1)
其中x是自变量,y是未知函数。若(1)式能就最高阶导数解出,得到
(2)
这种形式的方程称为显示微分方程。(1)式称为隐式微分方程。
2、 积分方程的简介
在方程中,若未知函数在积分号下出现,则称这种方程为积分方程。
一般的线性积分方程,写为:
(3)
式中,和是已知函数;是未知函数;是常数因子;被称为积分方程的核,也是已知函数。
在式(3)中,若,则有(3.1)称为第一类弗雷德霍姆(Fredholm)方程;
若,则有(3.2)称为第二类的弗雷德霍姆(Fredholm)方程。
有时候,对于时,。这种情况下,积分上下限为x,既式(3.1)和(3.2)变为:
(3.3)
(3.4)
分别称为第一类和第二类伏特拉(Volterra)方程。
3、 拉普拉斯变换与拉普拉斯逆变换
设函数在区间上有定义,如果含参变量的无穷积分对的某一取值范围是收敛的,则称(4)为函数的拉普拉斯变换,称为原函数,称为象函数,并记为=。
积分(4)的参变量是复数。
其中原函数满足:
(1)时,。
(2)时,及除去有限个第一间断点处处处连续。
(3)存在常数和,使。
如果是的拉普拉斯变换,那么称为的拉普拉斯逆变换(或的象函数),记为。
拉普拉斯变换的性质:
(1)线性性质:若,,为任意常数,则。
(2)位移性质:若,则。
(3)积分性质:若,则,。
(4)卷积性质:若,,则。
(5)微分性质:
,
,
4、 拉普拉斯变换在微分方程(组)初值问题中的应用(微分方程与代数方程的关系)
设给定常系数线性微分方程及初始条件,满足象函数的条件。记 :
对上述所给的微分方程两边进行拉普拉斯变换,根据性质得:
+
+
或。
为的已知多项式,为的已知函数,由此得,它是的象函数,查拉普拉斯变换表或由反变换公式计算得出原函数(即方程的解)。
求解过程表示如下:
象原空间: 微分方程+初始条件 微分方程的解
拉普拉斯变换 拉普拉斯逆变换
象空间: 代数方程 代数方程的解
(图1.微分方程与代数方程的关系)
在图1中,如果象函数是有理分式函数,就可以通过部分分式分解和查表的方法求出微分方程初值问题的解。
与经典的解微分方程初值问题的方法比较,拉普拉斯变换法可以直接得到初值问题的解,特别是没有确定任意常数这一步骤,确定任意常数实际上是解线性方程组,当方程阶较高时,这一步骤是很繁琐的。利用拉普拉斯变换解微分方程的步骤如下:
对微分方程两边进行拉普拉斯变换,得出有关象函数的代数方程。
由代数方程解出象函数;
对象函数取拉普拉斯逆变换,求出象函数,这就是微分方程的解。
例1:求微分方程满足初始条件的解。
解:设,对方程两边取拉普拉斯变换,并应用初始条件
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