常微分方程PPT课件.pptx

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常微分方程 第八章 目录 8.4 二阶常系数线性微分方程 8.3 可降阶的高阶微分方程 8.2 一阶微分方程 8.1 常微分方程的基本概念 8.5 应用示例——新产品推广模型问题 8.6 数学实验八 在解决实际问题时,常常需要建立与问题有关的各变量之间的函数关系.这种关系有时能直接建立,有时却只能根据一些基本的科学原理建立所求函数与其变化率之间的关系式,再从中解出所求的未知函数. 8.1 常微分方程的基本概念 【例8-1】设曲线过点(1,2)且在曲线上任意点(x,y)处的切线斜率为2x,求该曲线的方程. 解 设所求的曲线方程为y=f(x),则由题意及导数的几何意义可知dy/dx=2x或dy=2xdx 上式两端同时积分,得y=∫2xdx=x2+C(C为任意常数) 又根据曲线过点(1,2)的条件知y|x=1=2,即12+C=2 解得C=1,故所求曲线的方程为y=x2+1 下面通过几何学、物理学的几个实例来具体说明微分方程的基本概念. 例 8.1 常微分方程的基本概念 【例8-2】列车在平直线路上以20 m/s的速度行驶,当其制动时获得的加速度为 -0.4 m/s2时,问开始制动后多长时间列车才能停住?在这段时间内列车行驶了多少路程? 解 设把列车刹车时的时刻记为t=0.设制动后t时刻列车行驶了s.显然直接求s=s(t)是困难的,但由导数的物理意义可知d2s/dt2=-0.4 两端积分,得ds/dt=∫(-0.4)dt=-0.4t+C1 两端再积分,得s=-0.2t2+C1t+C2 其中C1,C2都是任意常数.现在需要确定C1,C2的值,根据题意知,未知函数s=s(t)满足 s0=0,v(0)=s′0=20 代入上面的两式,得C1=20,C2=0,因此s(t)=-0.2t2+20t 由于列车刹住时的速度为零,即s′(t)=-0.4t+20=0 求得t=50 s,于是列车所走的路程为s(50)=-0.2×502+20×50=500(m) 例 8.1 常微分方程的基本概念 上述两个实例讨论的都是已知未知函数导数(或微分)所满足的方程,求解未知函数的问题,这就是微分方程问题. 定义8.1 含有未知函数导数或微分的方程称为微分方程.未知函数是一元函数的微分方程称为常微分方程,简称为微分方程或方程;未知函数是多元函数的微分方程称为偏微分方程.本书只讨论常微分方程.例8-1和例8-2中所建立的方程都是常微分方程. 不同类型的微分方程在解法上有很大的差异.因此,在解微分方程之前必须正确识别微分方程的类型.所谓微分方程的类型主要指方程的阶、线性与非线性、变系数与常系数、齐次与非齐次等. 8.1 常微分方程的基本概念 定义8.2 微分方程中所出现的未知函数的最高阶导数或微分的阶数称为微分方程的阶. 例8-1中的方程是一阶方程,例8-2中的方程是二阶方程.再如方程yy′+sinx=1和方程yⅢ+lnxy=xcosx分别是一阶和三阶微分方程.n阶微分方程的一般形式为 Fx,y,y′,…,y(n)=0 其中必须含有y(n),而x,y,y′,…,y(n-1)可以不含有. 定义8.3 满足微分方程的函数称为微分方程的解;求微分方程解的过程叫作解微分方程;如果微分方程的解中所含独立的任意常数的个数等于微分方程的阶数,则称该解为微分方程的通解(或一般解);不含任意常数的解称为微分方程的特解. 8.1 常微分方程的基本概念 例如 可以验证例8-1中,函数y=x2+C和y=x2+1都是方程dy/dx=2x的解,其中y=x2+C是微分方程dy/dx=2x的通解,y=x2+1是微分方程dy/dx=2x的特解;例8-2中的通解为s(t)=-0.2t2+C1t+C2,特解为s(t)=-0.2t2+20t. 在通解中说任意常数是独立的,其含义是指它们不能合并而使得任意常数的个数减少.例如,函数y=C1sin x+C2sinx形式上有两个任意常数,但这两个常数并不是独立的,事实上它可以写成y=(C1+C2)sinx=Csinx(其中C=C1+C2),因此本质上它只含有一个任意常数. 显然,微分方程的通解给出了解的一般形式,若用未知函数及其各阶导数在某个特定点的值将通解中的任意常数确定下来,就得到微分方程的特解. 8.1 常微分方程的基本概念 定义8.4 确定通解中任意常数的条件称为初始条件.求微分方程满足初始条件的解的问题称为初值问题. 如例8-1中的y(1)=2,例8-2中的s0=0,s′0=20都是初始条件. 一般地,一阶微分方程的初始条件为y|x=x0=y0;二阶微分方程的初始条件y|x=x0=y0,y′|x=x0=y′0. 定义8.5 微分方程的解对应的图形称为积分曲线,通解通常表示一族积分曲线,特解只是其中某一条曲线.例如,例1的通解对应一族抛物线y=x2+

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