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第二节 可分离变量的微分方程
微分方程的类型是多种多样的,它们的解法也各不相同. 从本节开始我们将根据微分方程的不同类型,给出相应的解法. 本节我们将介绍可分离变量的微分方程以及一些可以化为这类方程的微分方程,如齐次方程等.
分布图示
★ 可分离变量微分方程 ★ 例1
★ 例2 ★ 例3 ★ 例4 ★ 例5
★ 例6 ★ 例7 ★ 例8
★ 逻辑斯谛方程
★ 齐次方程 ★ 例9 ★ 例10
★ 例11 ★ 例12 ★ 例13 ★ 例14
★ 可化为齐次方程的微分方程
★ 例15 ★ 例16 ★ 例17 ★ 例18
★ 内容小结 ★ 课堂练习
★ 习题7—2 ★ 返回
内容要点
一、可分离变量的微分方程
设有一阶微分方程
,
如果其右端函数能分解成,即有
. (2.1)
则称方程(2.1)为可分离变量的微分方程,其中都是连续函数. 根据这种方程的特点,我们可通过积分来求解. 求解可分离变量的方程的方法称为分离变量法.
二、齐次方程:形如
(2.8)
的一阶微分方程称为齐次微分方程,简称齐次方程..
三、可化为齐次方程的微分方程:对于形如
的方程,先求出两条直线
的交点,然后作平移变换
即
这时,,于是,原方程就化为齐次方程
例题选讲
可分离变量的微分方程
例1(E01)求微分方程的通解.
解 分离变量得两端积分得
从而,记则得到题设方程的通解
例2(E02)求微分方程的通解.
解 先合并及的各项,得
设分离变量得
两端积分得
于是 记则得到题设方程的通解
注:在用分离变量法解可分离变量的微分方程的过程中, 我们在假定的前提下, 用它除方程两边, 这样得到的通解, 不包含使的特解. 但是, 有时如果我们扩大任意常数C的取值范围, 则其失去的解仍包含在通解中. 如在例2中,我们得到的通解中应该,但这样方程就失去特解,而如果允许,则仍包含在通解中.
例3 已知 当时,求
解 设则
所以原方程变为即
所以
故
例4 设一物体的温度为100℃,将其放置在空气温度为20℃的环境中冷却. 试求物体温度随时间的变化规律.
解 设物体的温度与时间的函数关系为在上节的例1中我们已经建立了该问题的数学模型:
其中为比例常数.下面来求上述初值问题的解.分离变量,得
两边积分得(其中为任意常数),
即 (其中).
从而再将条件(2)代入,得
于是,所求规律为
注:物体冷却的数学模型在多个领域有广泛的应用. 例如,警方破案时,法医要根据尸体当时的温度推断这个人的死亡时间,就可以利用这个模型来计算解决,等等.
例5(E03)在一次谋杀发生后,尸体的温度从原来的按照牛顿冷却定律开始下降.假设两个小时后尸体温度变为,并且假定周围空气的温度保持不变,试求出尸体温度随时间的变化规律.又如果尸体被发现时的温度是,时间是下午4点整,那么谋杀是何时发生的?
解 根据物体冷却的数学模型,有
其中是常数.分离变量并求解得
,
为求出值,根据两个小时后尸体温度为这一条件,有
,
求得,于是温度函数为
,
将代入上式求解,有
,即得(小时).
于是,可以判定谋杀发生在下午4点尸体被发现前的8.4小时,即8小时24分钟,所以谋杀是在上午7点36分发生的.
E04)设降落伞从跳伞塔下落后, 所受空气阻力与速度成正比, 并设降落伞离开跳伞塔时速度为零, 求降落伞下落速度与时间的关系.
解 设降落伞下落速度为降落伞下落时,同时收到重力与阻力的作用.
降落伞所受外力为
根据牛顿第二定律: ,得到满足微分方程
(1)
初始条件 将方程(1)分离变量得
两边积分得
,
即 或
代入初始条件得
故所求特解为 .
下面我们借助树的增长来引入一种在许多领域有广泛应用的数学模型——逻辑斯谛方程.
一棵小树刚栽下去的时候长得比较慢, 渐渐地, 小树长高了而且长得越来越快, 几年不见, 绿荫底下已经可乘凉了; 但长到某一高度后, 它的生长速度趋于稳定, 然后再慢慢降下来. 这一现象很具有普遍性. 现在我们来建立这种现象的数学模型.
如果假设树的生长速度与它目前的高度成正比, 则显然不符合两头尤其是后期的生长情形, 因为树不可能越长越快; 但如果假设树的生长速度正比于最大高度与目前高度的差, 则又明显不符合中间一段的生长过程. 折衷一下, 我们假定它的生长速度既与目前的高度, 又与最大高度与目前高度之
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