第二节 一阶微分方程的解法
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一阶微分方程的解法一、分离变量法:分离变量法适用于可分离系数的方程,即可以将微分方程变换成关于未知函数的形式。
例如,考虑一阶微分方程dy/dx = f(x)g(y),我们可以将方程变换为dy/g(y) = f(x)dx的形式,然后对方程两边同时积分,即可求解出未知函数y(x)的表达式。
二、齐次方程法:齐次方程是指一阶微分方程可以表示为dy/dx = f(y/x)的形式。
对于这种类型的方程,我们可以通过变量替换来将其转化为可分离变量的方程。
设y = vx,其中v是未知函数。
将y = vx代入原方程,对方程进行求导得到dy/dx = v + x*dv/dx。
将这两个式子代入原方程,得到v +x*dv/dx = f(v)。
将此方程化简为可分离变量的形式后,进行变量分离、积分的步骤,即可得到未知函数v(x)的表达式。
进一步代回y = vx,即可求得原方程的解。
三、一阶线性方程法:一阶线性方程是指可以表示为dy/dx + P(x)y = Q(x)的方程。
对于这种类型的方程,我们可以利用积分因子法来求解。
设积分因子为μ(x) = exp[∫P(x)dx],其中P(x)是已知的系数。
对原方程两边同时乘以μ(x),可以得到μ(x)*dy/dx + P(x)μ(x)y =Q(x)μ(x)。
左边这个式子是一个恰当方程的形式,我们可以将其写成d(μ(x)y)/dx = Q(x)μ(x)的形式。
对上述方程进行积分后,再除以μ(x),即可得到未知函数y(x)。
四、可化为可分离变量的方程:有一些一阶微分方程虽然不能直接分离变量,但是可以通过一些代换或适当变量变换后化为可分离变量的方程。
例如,对于方程dy/dx = f(ax + by + c),我们可以设u = ax + by + c,将其转化为关于u和x的方程。
然后对方程两边进行求导,并代入y = (u - ax - c)/b,即可得到关于u和x的可分离变量方程。
最后通过分离变量、积分等步骤,计算出未知函数y(x)的表达式。
第二章 一阶微分方程的初等解法研究对象一阶微分方程),(y x f dxdy =与0),,(='y y x F 的求解问题1 变量可分离方程 形如)()(y x f dxdy ϕ=的方程,称为变量可分离方程,其中)(x f 和)(y ϕ分别是y x ,的连续函数。
1)变量可分离方程的解法对于变量分离方程)()(y x f dxdy ϕ=, 分离变量得dx x f y dy )()(=ϕ, 再积分,得⎰⎰=dx x f y dy )()(ϕ,这就是方程的通解。
注意:在变量分离的过程中,必须保证0)(≠y ϕ。
但如果0)(=y ϕ有根为0y y =,则不难验证0y y =也是微分方程的解,有时无论怎样扩充通解的表达式中的任意常数,此解不包含在其中,解题时要另外补充上,不能遗漏。
2)可化为可分离变量的方程)a 齐次方程)(x y g dx dy =, 令xy u =,方程可化为分离变量的方程,x u u g dx du -=)(。
)b 分式线性方程 222111c y b x a c y b x a dx dy ++++=下面分三种情形来讨论:ⅰ)021==c c ,这时 yb x a y b x a dx dy 2211++= 为齐次方程。
ⅱ)02211≠b a b a 及02221≠+c c ,这时可作变换k y h x +=+=ηξ,,其中k h ,是线性代数方程⎩⎨⎧=++=++00222111c k b h a c k b h a 的唯一解,可将方程化为齐次方程 ηξηξξη2211b a b a d d ++=。
ⅲ)02211=b a b a 及02221≠+c c ,这时可设 λ==2121b b a a ,方程可化为222122)()(c y b x a c y b x a dx dy ++++=λ, 再令u y b x a =+22,则方程可进一步化为2122c u c u b a dx du +++=λ,这是一个变量可分离方程。