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微分方程简介定理72
* 微积分部分 第六章 微分方程简介 第七章 常微分方程简介 第七章 常微分方程简介 §7.1 微分方程的一般概念 §7.2 一阶微分方程 §7.3 几种二阶微分方程 §7.4 二阶常系数线性微分方程 第七章 微分方程 在科学研究与生产实际中,经常要寻求表示客观事物的变量之间的函数关系.在大量实际问题中,往往不能直接得到所求的函数关系,但可以分析得到含有未知函数导数的关系式,即微分方程.因此,微分方程是描述客观事物的数量关系的一种重要数学模型.本章着重研究常见的微分方程的解法,并结合实际问题介绍微分方程的一些应用. §7.1 微分方程的基本概念 在中学数学中,我们已经学过代数方程,它是含有未知数的等式.在科学研究及工程技术等领域,还经常要建立与求解含有未知函数及其导数的方程. 例1 (马尔萨斯人口预测模型)由于资源的有限性,当今世界各国都注意有计划地控制人口的增长.人口的预测是一个关乎国计民生的大问题.英国人口统计学家马尔萨斯(1766—1834)在担任牧师期间,查看了教堂100多年人口出生统计资料,发现人口出生率是一个常数,于1798年提出了闻名于世 的马尔萨斯人口模型.他的基本假设为:在人口自然增长过程中,净相对增长率(出生率与死亡率之差)为常数,即单位时间内人口的增长量与人口成正比,比例系数为 .在此假设下推导人口随时间变化的数学模型. 把 当作可微函数(因人口总数很大,可近似地这样处理,此乃离散变量连续化处理),上式两边除以 ,并令 取极限得 (7.1.1) 解 设 时刻的人口为 ,据马尔萨斯的假设,在 到 时间段内,人口的增长量为 (7.1.1)即为马尔萨斯人口预测模型,它是一个含有未知函数及其导数的方程 我们称含有未知函数及其导数(包括高阶导数)的方程为微分方程.在微分方程中,所含未知函数的导数的最高阶数定义为该微分方程的阶数.当微分方程中所含的未知函数及其各阶导数全是一次幂时,微分方程就称为线性微分方程.在线性微分方程中,若未知函数及其各阶导数的系数全是常数,则称这样的微分方程为常系数线性微分方程. 为二阶常系数线性微分方程. 如(7.1.1)为一阶常系数线性微分方程 如果将某函数代入微分方程后能使方程成为恒等式,这个函数就称为该微分方程的解. 如将函数 (其中为常数)代入(7.1.1)左右两边均为 ,显然恒等,故函数 为微分方程(7.1.1)的解. 微分方程的解有两种形式:一种含有任意常数;一种不含任意常数.如果解中含有任意常数,且独立的任意常数的个数与方程的阶数相同,则称这样的解为微分方程的通解.不含有任意常数的解,称为微分方程的特解.如函数 (其中 为任意常数)为微分方程(7.1.1)的通解. 通常,由微分方程的通解附加一定的条件就可确定出其特解,我们用未知函数及其各阶导数在某个特定点的值作为确定通解中任意常数的条件,称为初始条件. 一阶微分方程的初始条件为 其中 , 是两个已知数;二阶微分方程的初始条件为 其中 , , 是三个已知数.求微分方程满足初始条件的解的问题,称为初值问题 例1 验证 是一阶线性微分方程 的通解. , 验证: 因为 所以 因此 是方程 的解 又易见该解含有任意常数 ,因而它是微分方程 的通解. §7.2 一阶微分方程 在本节我们研究两种最简单的一阶微分方程的求解. 一、可分离变量的一阶微分方程 该方程的特点是:等式右边可分解成两个函数之积,其中一个只是 的函数,另一个只是 的函数.因此可将该方程 的方程,称为可分离变量的一阶微分方程,简称可分离变量的方程. 定义7.1 形如 (7.2.1) 化为等式一边只含变量 ,而另一边只含变量 的形式,即 其中 对上式两边积分得 不定积分算出后就得到(7.2.1)的解,我们把这种求解过程叫做分离变量法. 例1 求
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