[2018年必威体育精装版整理]02第二节可分离变量的微分方程.doc

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 ★ 齐次方程 ★ 例7 ★ 例8 ★ 例9 ★ 例10 ★ 例 11 ★ 可化为齐次方程的微分方程 ★ 例 12 ★ 例 13 ★ 例 14 ★ 例 15 ★ 内容小结 ★ 课堂练习 ★ 习题8-2 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，尸体的温度按照牛顿冷却定律从原来的37℃开始下降，假设两个小时后尸体温度变为35℃，并且假定周围空气的温度保持20℃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30℃，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 ， 代入初值条件，可求得，于是得该初值问题的解为 。 为求出 值，根据两小时后尸体温度为35℃这一条件，由 ， 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。 例6（E04）某公司t年净资产有(百万元), 并且资产本身以每年5%的速度连续增长, 同时该公司每年要以300百万元的数额连续支付职工工资. 给出描述净资产的微分方程; (2) 求解方程, 这时假设初始净资产为 (3) 讨论在三种情况下, 变化特点. 解 (1) 利用平衡法，即由净资产增长速度＝资产本身增长速度－职工工资支付速度 得到所求微分方程