同济大学(高等数学)-第三篇-常微分方程VIP专享VIP免费

1第三篇常微分方程第六章常微分方程函数是研究客观事物运动规律的重要工具，找出函数关系，在实践中有重要意义．但是在许多问题中，常常不能直接找出这种函数关系，但却能根据问题所处的环境，建立起这些变量和它们的导数（或微分）之间的方程，这样的方程称为微分方程．在本章中，主要介绍常微分方程的基本概念和几种常用的常微分方程的解法．第一节微分方程的概念下面我们通过两个例子来说明常微分方程的基本概念．1．1引例引例1一曲线通过点（1，2），且在该曲线上任一点处的切线斜率为，求这条曲线方程．解设所求曲线方程为，且曲线上任意一点的坐标为．根据题意以及导数的几何意义得.两边同时积分得（为任意常数）．又因为曲线通过（1，2）点，把，代入上式，得．故所求曲线方程为．引例2将温度为的物体放入温度为的介质中冷却，依照冷却定律，冷却的速度与温度成正比，求物体的温度与时间之间的函数关系．解依照冷却定律，冷却方程为（为比例常数），所求函数关系满足，．以上我们仅以几何、物理上引出关于变量之间微分方程的关系．下面我们介绍有关微分方程基本概念．1.2微分方程的基本概念定义1含有未知函数以及未知函数的导数（或微分）的方程称为微分方程．在微分方程中，若未知函数为一元函数的微分方程称为常微分方程．若未知函数为多元函数的微分方程称为偏微分方程．例如下列微分方程中，2（1）；（2）；（3）（4）；（5）．都是微分方程，其中（1）、（2）、（3）、（5）是常微分方程，（4）是偏微分方程．本课程只讨论常微分方程．定义2微分方程中含未知函数的导数的最高阶数称为微分方程的阶．在上例中，（1）、（2）、（5）是一阶常微分方程，（3）是二阶常微分方程．一般地，阶微分方程记为：．定义3若将代入微分方程中使之恒成立，则称是微分方程的解（也称显式解）；若将代入微分方程中使之恒成立，则称关系式是微分方程的隐式解．定义4微分方程的解中含有任意常数，并且任意常数的个数与微分方程的阶数相同，这样的解称为微分方程的通解．引例1中，积分后得到为微分方程的通解，由于通解中含有任意常数，所以它不能完全确定地反映客观事物的规律性，必须确定这些常数，为此，要根据实际问题，提出确定通解中的常数的条件．设微分方程中未知函数，如果微分方程是一阶的，确定任意常数的条件是；如果微分方程是二阶的确定任意常数的条件是，，上述这些条件叫做初始条件．定义5求解微分方程满足初始条件的特解问题称为一阶微分方程的初值问题．记作．例1验证是微分方程的解．解的一阶导数和二阶导数分别是，．把和代入微分方程中，3．因此，是微分方程的解．如果、是任意常数，则解是二阶微分方程的通解．例2已知是微分方程的通解，求满足初始条件，的特解．解由题意得，把，分别代入得,即，于是微分方程的特解为．习题6-11．指出下列各微分方程的阶数．（1）；（2）；（3）；（4）；(5)；(6)；（7）；（8）．2.验证下列函数是所给的微分方程的解．（1）；（2）；（3）；（4）．3．验证函数是微分方程的解，并求满足初始条件的4特解．4．写出下列条件确定的曲线所能满足的微分方程．（1）曲线在任一点处的切线斜率等于该点纵坐标的3倍．（2）曲线在任一点处的切线斜率与该点横坐标成正比．5．英国人口统计学家马尔萨斯(Malthus)在担任牧师期间，查看了当地教堂100多年来的人口出生统计资料，发现了如下现象：人口出生率是一个常数．在1798年，他发表了《人口原理》一书，其中提出了著名的Malthus人口模型．他假定条件如下：在人口的自然增长过程中，人口增长率与人口总数成正比．表示时间（变量），表示人口总数（依赖于时间变化），表示人口增长率与人口总数之间的比例常数，试用微分方程表达上述条件．6．一棵小树刚栽下去的时候生长缓慢，渐渐地，小树长高了并且长得越来越快，几年之后，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．如果假设树的生长速度既与目前的高度成正比，又与最大高度和目前高度之差成正比，试用微分方程来描述这一过程．（设树生长的最大高度为H(m),在t(年)时的高度为的是比例常数）第二节可...