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求微分方程的通解,微分方程的通解是(线性微分方程解的三个重要特征)

02-04 互联网 未知 投稿

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1、求微分方程的通解:微分方程的通解是

对于一个微分方程而言,其解往往不止一个,而是有一组,可以表示这一组中所有解的统一形式,称为通解。对一个微分方程而言,它的解会包括一些常数,对于n阶微分方程,它的含有n个独立常数的解称为该方程的通解。求微分方程通解的方法有很多种,如:特征线法,分离变量法及特殊函数法等等。

1、而对于非齐次方程而言,任一个非齐次方程的特解加上一个齐次方程的通解,就可以得到非齐次方程的通解。

2、含有未知函数的导数,如:方程是微分方程。

3、 一般的凡是表示未知函数、未知函数的导数与自变量之间的关系的方程,叫做微分方程。

4、未知函数是一元函数的,叫常微分方程;未知函数是多元函数的叫做偏微分方程。

5、微分方程有时也简称方程 。

2、常微分方程:线性微分方程解的三个重要特征

前一篇《带你走进微积分的堂学习:一阶线性微分方程式的基础原理》详细讨论了线性微分方程的结构以及通解特性,本篇我们借此机会指出一阶线性微分方程解的三个重要特征

1)有一阶线性微分方程

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的通解是

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可以看出,它等于(1)的一个特解(对应于上式的C=0)再加相应的齐次线性(2)的通解,

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因此如果求得非齐次线性微分方程(1)的一个特解为y=φ1(x)和相应的齐次线性方程(2)的通解,则(1)的通解为

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2)设a(x)和b(x)在区间α<x<β上连续,则由上述通解公式可知,线性微分方程(1)的一切解在α<x<β上存在,面对非线性微分方程,一般就没有这种解的全局存在性,例如非线性微分方程

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关于x的定义域为-∞<x<+∞,而它的解,例如y=tanx的存在区间只是-π/2<x<π/2,这就表明,非线性微分方程解的存在区间一般是局部的,而不像线性微分方程的解那样是全局的。

3)求线性微分方程(1)满足初始条件

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的解,由通解,得y(x0)=C,因而再由C=y0,即得初始问题的解为

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根据上面的解法可知,这也是唯一的解,这就证明了对于线性微分方程的初值问题,它的解是存在并且唯一的。而对于非线性微分方程的初值问题,它的解有时就不是这样。因此线性微分方程的解在结构上要比非线性微分方程的解简单一些。

举例:设跳伞员的质量为m,降落伞的浮力与它下降的速度v成正比,求下降速度v(t)的变化率。

先取坐标系,参看图2-4,我们规定v正向指向地面,则重力w=mg是正的,而浮力f0=-kv(常数k>0)向上为负,因此跳伞员所受的外力为

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而惯性力为m.dv/dt,因此,由牛顿的第二运动定律推出跳伞员的运动方程为

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这里v=v(t)是未知数,可以把上面的方程写成

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这是一个非齐次线性微分方程,用积分因子μ(t)乘上式两端得到

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再取不定积分,得到

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因此,我们求得跳伞员运动方程的通解为

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由此可见,结果为数

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这就是说,只要跳伞员在空中有足够长的停留时间,他到达地面时的速度近似地等于mg/k,而自由落体时按照加速度g(v=gt+v0)落到地面的

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