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第七章 常微分方程与差分方程
常微分方程是高等数学中理论性和应用性都较强的一部分,是描述客观规律的一种重要方法,是处理物理、力学、几何等应用问题的一个重要工具,微分和积分的知识是研究微分方程的基础。微分方程作为考试的重点内容,每年研究生考试均会考到。特别是微分方程的应用问题,既是重点,也是难点,在复习时必须有所突破。
【数学一大纲内容】常微分方程的基本概念;变量可分离的方程;齐次方程;一阶线性方程; 伯努利(Bernoulli)方程;全微分方程;可用简单的变量代换求解的某些微分方程;可降阶的 高阶微分方程;线性微分方程解的性质及解的结构定理;二阶常系数齐次线性微分方程;高于二阶的某些常系数齐次线性微分方程;简单的二阶常系数非齐次线性微分方程;欧拉(Euler) 方程;微分方程的简单应用。
【数学二大纲内容】常微分方程的基本概念;变量可分离的方程;齐次方程;一阶线性微分方程;可降阶的高阶微分方程;线性微分方程解的性质及解的结构定理;二阶常数齐次线性微分方程;高于二阶的某些常系数齐次线性微分方程;简单的二阶常系数非齐次线性微分方程;微分方程的一些简单应用。
【大纲要求】要理解微分方程的有关概念,如阶、解、通解、特解、定解条件等,掌握几类方程的解法:如变量可分离方程,齐次方程,一阶线性微分方程,伯努利方程,可降阶方程等。理解线性微分方程解的性质和解的结构,掌握求解常系数齐次线性方程的方法,掌握求解某些自由项的常系数非齐次线性方程的待定系数法。了解欧拉方程的概念,会求简单的欧拉方程。会用微分方程处理物理、力学、几何中的简单问题。
【考点分析】本章包括三个重点内容:
常见的一阶、二阶微分方程求通解或特解。求解常微分方程重要的是判断方程为哪种类型,并记住解法的推导过程。
微分方程的应用问题,这是一个难点,也是重点。利用微分方程解决实际问题时,若是几何问题,要根据问题的几何特性建立微分方程。若是物理问题,要根据某些物理定律 建立微分方程,也有些问题要利用微元法建立微分方程。
数学三要求掌握一阶常系数线性差分方程的求解方法,了解差分与差分方程及其通解 与特解等概念,会用差分方程求解简单的经济应用问题。
【考点八十三】形如 y? ? f (x)g( y) 的一阶微分方程称为变量可分离微分方程。可分离变量的微分方程的解题程序:
当 g( y) ? 0时, y? ? f (x)g( y) ? dy ? f (x)dx ,然后左、右两端积分
g( y)
? dy ? ?
g( y)
f (x)dx ? C, 上式即为变量可分离微分方程的通解。其中, C 为任意常数,
? dy 表示函数 1 的一个原函数, ? f (x)dx 表示函数 f (x) 的一个原函数.
g( y) g( y)
【例 7.1】微分方程 y? ? xy ? x ? y ?1 的通解为 。
【详解】 y? ? ?x ?1??y ?1??
dy , ?
dx
dy y ?1
? ?x ?1?dx .
两边积分得? dy
? ? ?x ?1?dx , 即 ln y ? 1 ?
1 ?x ? 1?2 ? c ,
y ?1 2 1
1 ?x?1?2
? y ?1 ? ?ec1 ? e 2
1 ?x?1?2
?? Ce 2
?
1 ? ?2
, x?1?? y ?
, x?1
?
?1 ,C 为任意常数。
xy【例 7.2】微分方程?
xy
? x dx
x 2 y ?
?
y dy
? 0 ,当 x ? 0 时, y ? 1 的特解为 。
? ? ? ??x【详解】分离变量得 x y 2 ?1 dx ? y x 2 ?1
? ? ? ??x
x 2 ?1
dx ?
y
y 2 ?1
dy ? 0 .
x y 1 1
积分得? dx ? ? dy ? C
,? ln x 2 ? 1 ? ln y 2 ? 1 ? C ,
x 2 ?1 y 2 ?1
? ?
1 2 2 1
? ?? ?
ln x 2 ? 1 y 2 ? 1 ? 2C ,即
1
x 2 ?1 y 2 ?1 ? ?e 2C1 ? C .
? ?? ?
令 x ? 0, y ? 1,则?2 ? C , ∴所求特解为 x 2 ?1 y 2 ?1 ? ?2 .
【例 7.3】若连续函数 f ?x?满足关系式 f ?x?? ? 2x
0
f ? t ? dt ? ln 2 ,则
? ?
? ?
? ?
f ?x?等于( )
(A) ex ln 2. (B) e2x ln 2. (C) ex
ln 2. (D) e2 x
ln 2.
【详解】对所给关系式两边关于 x 求导,得 f ??x?? 2 f ?x?,且有初始条件 f ?0?? ln 2 .
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