3_7_一阶线性方程与常数变易法.docVIP

2.2 一阶线性方程与常数变易公式(First order linear differential equation and constant variation formula ) [教学内容] 1. 认识一阶线性齐次方程和一阶线性非齐次方程; 2.介绍一阶线性非齐次方程的常数变易公式; 3. 介绍电学知识和基尔霍夫定律; 4. 认识Bernoulli方程及其通过变量替换化为一阶线性方程的解法; 5. 介绍其他可化为一阶线性方程的例子. [教学重难点] 重点是知道一阶线性非齐次方程的解法，难点是如何根据方程的形式引入新的变量变换使得新方程为一阶线性方程. [教学方法] 自学1、4；讲授2、3 课堂练习 [考核目标] 熟练运用常数变易公式; 2. 知道计算和一些三角函数恒等式; 3. 知道电学一些知识，如电容电流公式、电感电压公式和基尔霍夫定律; 4. 知道溶液混合问题建模; 5. 认识Bernoulli方程并会经过适当变换化为线性方程求解. 6. 知道交换自变量和因变量化非线性方程为一阶线性方程. 1. 认识一阶线性齐次方程和一阶线性非齐次方程（First order (non)homogeneous linear differential equation） (1) 称形如的方程为一阶线性齐次方程，其中连续； 称形如的方程为一阶线性非齐次齐次方程，其中连续且不恒为零. (2) 当时，改写为 ，其中表示P(x)的一个原函数(antiderivative). 因此，通解(general solution)为，此外y=0也是解. 综上，的解为为任意常数. (3) 常数变易法：如何求的解呢？ 假定上述线性非齐次方程有如下形式的解 ，则代入原方程来确定C(x)， ， 即，，此处C为任意常数, 为函数一个原函数. 综上，一阶线性非齐次方程的通解为 . 一些实际应用例子（Applications ） 例28. 电容器的充电和放电模型 RC电路：假定开始电容C上没有电荷，电容两端电压为0，合上开关1后，电池E对电容C开始充电，电池电压为E，电阻阻值为R，电容C两端电压逐渐上升. 写出充电过程中，电容C两端电压随时间变化的规律. 解：设U(t)表示在时刻t时电容两端电压，则根据电学知识，电容两端电量Q=U C，电流I = , 电阻两端电压为R I=. 由基尔霍夫定律知，闭合回路上压降为零. 即有. 改写为 ，这是一个一阶线性非齐次方程. 记, 由常数变易公式得到， 再注意到初始条件U(0)=0，，因此，. 例29. 考察如下RL电路图，设电源E的电压为为常数，求电感线圈上电流I随时间的变化规律，设t=0时，I=0. 解：设I(t)表示时刻t时电感线圈上电流强度，则由电学知识有，电感线圈两端电压为. 由基尔霍夫定律知，闭合回路电压降为零. 于是 . 改写为, 这是一个一阶线性非齐次方程. 记, 由常数变易公式得到， 令， 于是由知， ，于是. 再注意到初始条件I(0)=0， ，因此， . 练习23. (1) 求； (2) 改写为，给出所满足的条件. (3) 由 Euler 公式和推导出: 和 ， . 作业24. （1） 如例28中RC电路图，设E=10V, R=100, C=0.01 F, 开始时刻电容C上电压为零并在此刻合上开关1，问经过多长时间电容C两端电压为? （2）如下RL电路图，设E, R, L均为正的常数，求开关闭合后电路中电流强度I(t)，假定I(0)=0. 例30. 溶液混合问题：设容积为V（单位）的密封容器装着某种溶液如下图，从A以速度r（单位）流入浓度为（常数）的相同溶液，经充分混合后在B以相同速度r流出容器, 假设时刻t=0时，容器溶液浓度为0，问容器中浓度随时间变化的规律. 解：设时刻t时容器溶液浓度为C(t)，且C(0)=0，则由溶质出入平衡，也即流入等于流出，由微元法建立如下等式：，即. (以下略) 作业25. 假设伊利湖的存水量为，从休伦湖流入和从安大略湖流出的速度都是每年，在t=0时刻，伊利湖的污染物浓度时休伦湖的5倍. 如果流出的水是完全混合好的湖水，问使得伊利湖的污染物浓度减少到休伦湖2倍需要多少时间？（假定休伦湖污染物浓度为常数） 3. Bernoulli方程及其解法 称形如为Bernoulli方程. 解法：当时，改写原方程, 令，这是一个一阶线性非齐次方程. 例31 求解方程. 解：经过观察，原方程是一个Bernoulli方程, n=2. （1）当时，改