全微分方程及积分因子

全微分方程是一类常见的偏微分方程，它描述了函数的某些性质。

求解全微分方程通常需要使用一些特定的方法，如分离变量法、变量代换法、积分因子法等。

以下是一个求解全微分方程的步骤：
确定方程的形式：首先需要确定全微分方程的形式，以便了解方程中包含哪些未知函数和它们的导数。

寻找积分因子：积分因子是使全微分方程成为恰当方程的函数。

通过寻找积分因子，可以将全微分方程转化为恰当方程，从而更容易求解。

变量代换：如果全微分方程的形式比较复杂，可以考虑使用变量代换，将方程中的未知函数和导数转换为更简单的形式。

分离变量：如果全微分方程中包含多个未知函数，可以考虑使用分离变量的方法，将方程中的未知函数分离出来，分别求解。

求解方程：根据具体情况选择适当的方法求解全微分方程。

如果方程是恰当方程，可以使用直接积分法求解；如果方程不是恰当方程，可以考虑使用其他方法，如常数变异法、参数法等。

验证解的正确性：最后需要验证求解得到的解是否正确。

可以通过将解代入原方程进行验证，或者使用其他方法验证解的正确性。

需要注意的是，求解全微分方程的方法并不是唯一的，具体的方法需要根据具体情况选择。

同时，全微分方程的解可能存在多种形式，需要根据问题的实际背景选择适当的解的形式。

在求解某些类型的微分方程时，可以使用积分因子（integrating factor）来简化方程的求解过程。

积分因子是一个乘法因子，可以乘以微分方程的两边，使其变为可积分的形式。

对于形如dy/dx + P(x)y = Q(x) 的一阶线性常微分方程，其中P(x) 和Q(x) 是已知函数，可以使用积分因子来求解。

积分因子的计算步骤如下：
1.将方程写成标准形式：dy/dx + P(x)y = Q(x)。

2.计算积分因子μ(x) = exp(∫P(x)dx)。

3.将积分因子乘以原方程的两边，得到μ(x)dy/dx + μ(x)P(x)y = μ(x)Q(x)。

4.左侧的第一项可以通过链式法则化简为d(μ(x)y)/dx。

5.整理得到d(μ(x)y)/dx = μ(x)Q(x)。

6.对上述等式两边同时积分，得到μ(x)y = ∫μ(x)Q(x)dx。

7.最后，解出y = (1/μ(x)) ∫μ(x)Q(x)dx。

通过引入积分因子，原本的一阶线性常微分方程可以转化为可积分的形式。

积分因子的选择依赖于方程中的函数P(x) 和Q(x)，使得乘以积分因子后，方程的左侧可以写成导数的形式，从而方便求解。

需要注意的是，不是所有的一阶线性常微分方程都可以使用积分因子法求解，这种方法适用于特定类型的方程。

在具体求解时，还需要根据具体方程形式和条件进行判断和处理。

全微分积分因子全微分积分因子是微分方程中的一个重要概念，它在解决微分方程的问题时起到了至关重要的作用。

本文将从全微分的定义、积分因子的概念以及如何确定积分因子这三个方面进行阐述。

全微分是微分学的一个重要概念，它是指一个函数在某一点附近的微小变化。

在数学上，全微分可以通过求偏导数来表示。

对于函数f(x,y)，它的全微分可以表示为df=f_xdx+f_ydy，其中f_x和f_y 分别表示f对x和y的偏导数，dx和dy表示自变量x和y的微小变化量。

全微分的概念是微分方程求解中的关键，通过对方程进行全微分，可以将其化简为可积分的形式。

积分因子是指用于求解非恰当微分方程的一个乘法因子，通过乘以这个因子，可以将非恰当微分方程转化为恰当微分方程。

对于一个一阶微分方程Mdx+Ndy=0，如果存在一个函数μ(x, y)，使得μMdx+μNdy=0是恰当微分方程，那么μ就是这个微分方程的积分因子。

积分因子的作用在于将原方程乘以积分因子后，可以使得新方程满足恰当微分方程的条件，从而利用恰当微分方程的性质来求解。

确定积分因子的方法有很多，常用的方法包括查表法、分离变量法、恰当微分方程的判别法和常数变易法等。

其中查表法是一种快速确定积分因子的方法，通过查表可以找到常见的一些微分方程的积分因子。

分离变量法是一种常用的确定积分因子的方法，通过将方程进行变形，使得方程的两边可以分离变量，从而求得积分因子。

恰当微分方程的判别法是一种判断方程是否是恰当微分方程的方法，如果一个方程满足恰当微分方程的条件，则可以确定它的积分因子。

常数变易法是一种通过引入一个未知函数来确定积分因子的方法，通过求解这个未知函数，可以得到积分因子的表达式。

在实际应用中，确定积分因子是求解非恰当微分方程的关键一步。

通过确定积分因子，可以将非恰当微分方程转化为恰当微分方程，从而利用恰当微分方程的性质来求解。

积分因子的选择不仅要满足方程的形式要求，还要考虑计算的复杂度和求解的效果。

全微分方程与积分因子在数学中，微分方程是研究自然现象的一种重要工具，它是描述自然现象变化的一种数学模型。

而全微分方程是其中的一种重要类型，它在物理、工程、经济等领域中都有广泛应用。

全微分方程的定义全微分方程指的是能够写成下面形式的方程：M(x,y)dx+N(x,y)dy=0其中，M(x,y)和N(x,y)是定义在平面区域D上的连续函数。

dx 和dy分别表示x和y的微小变化量，而该式的解y=f(x)就是D中的一个隐函数。

当该式满足以下条件时，被称作全微分方程：∂M/∂y=∂N/∂x换言之，就是该式的两个偏导数相等。

全微分方程的求解对于全微分方程，求解的方法非常简单，只需要对其进行积分，就得到了y=f(x)的通解。

以一个简单的例子来说明：设M(x,y)=3x^2y, N(x,y)=x^3，则上式就变成了：3x^2ydx+x^3dy=0对该式两边同时积分，得到：x^3y+θ=y^2/2其中，θ是一个常数。

积分因子积分因子是用于求解非全微分方程的一种技巧，它能够将非全微分方程转化成全微分方程从而求解。

设非全微分方程为：M(x,y)dx+N(x,y)dy=0称一个与M(x,y)和N(x,y)有关的非零函数μ(x,y)为该非全微分方程的积分因子，当且仅当以下条件成立时：μ(x,y)M(x,y)dx+μ(x,y)N(x,y)dy=0是一个全微分方程。

在实际应用中，常常可以通过以下步骤求解积分因子：1.检查M(x,y)和N(x,y)的偏导数是否满足条件∂M/∂y≠∂N/∂x。

2.令μ(x,y)=exp(Q(x,y)),其中Q(x,y)是希望得到的积分因子。

3.代入μ(x,y)和求导后的积分因子到M(x,y)和N(x,y)的总和中，判断是否为全微分方程，如果是，则可得到积分因子。

例如，考虑非全微分方程：(2y^3 +3x^2y)dx+(3x^2+y^2)dy=0通过检查偏导数条件可知：∂M/∂y=6y^2+3x^2≠∂N/∂x=6x所以该方程不是全微分方程。

积分因子与全微分方程1 微分方程的用途镭是一种放射性物质，它的原子不停地向外放射出氦原子和其它的射线．从而自身的原子量减少，这样就变成了其它的物质（如常见的铅）．一定质量的镭随着时间的变化，它的质量就会减少．现在已经发现镭的裂变速度（即单位时间裂变的质量）与它的剩余量成正比，设一块镭在时刻0t t =时，其质量0R R =，请确定这块镭在时刻t 的质量R ．分析：时刻t 时镭的剩余量R 是t 的函数，由于R 将随时间t 的流逝而减少．故镭的裂变速度dRdt应该是负值，于是按照镭的裂变规律可列出方程dRkR dt=-，其中k 为一正的比例常数． 1.1 微分方程 定义1[]()1P 1 联系着自变量、未知函数以及它的导数的方程叫做微分方程．上式是一个关于未知函数R 的微分方程，上述的问题就是要从这个式子中求出未知函数()R R t =来．不仅镭的质量满足这样的规律，其它的放射性物质也都满足这一规律，不同的只是各种放射性物质具有各自不同的系数k ．从这个关系式出发，可以利用放射性物资来测定某种物体的绝对年龄，实际上，火箭的升空，弹道的计算，自动控制，化学反应过程中稳定性的研究等都要用到微分方程．微分方程其实就是联系着自变量，未知函数以及它的导数的关系式，它的本质也是一个方程．像上面这些例子都可以建立成微分方程的的模型．我们了解了什么是微分方程，和微分方程在现实中的应用．那么解这样的方程就是理所应当该首先考虑的问题了．2 全微分方程的定义我们可以将一阶方程(),dyf x y dx=写成微分的形式(),0f x y dx dy -=，写成具有对称形式的一阶微分方程()(),,0M x y dx N x y dy +=．其中(),M x y ，(),N x y 在某矩形域内是x ， y 的连续且具有连续的一阶偏导数． 2.1 全微分方程 定义2[]()139P 如果微分方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的左边恰好是某个二元函数(),u x y 的全微分，即()()(),,,M x y dx N x y dy du x y +≡u u dx dy x y∂∂≡+∂∂ 则称()(),,0M x y dx N x y dy +=为全微分方程．3 全微分方程的求解知道了什么是全微分方程，自然会提出一些问题，①如何来判断方程是全微分方程，②判断了方程为全微分方程，那如何来求全微分方程的通解呢？下面我们来给一些结论：方程()(),,0M x y dx N x y dy +=为全微分方程的冲要条件为：M Ny x∂∂=∂∂． 一般求解全微分方程通解的过程我们用一个例题来演示一下： 例1 求()()222336640x xy dx x y y dy +++=的通解． 解 这里2236M x xy =+，2364N x y y =+， 这时12M xy y ∂=∂，12N xy x∂=∂， 因此方程是全微分方程．现在求u ，使它满足如下两个方程2236ux xy x∂=+∂， 2364ux y y y∂=+∂， 由2236ux xy x∂=+∂，对x 积分，得到 ()3223u x x y y ϕ=++．为了确定()y ϕ，将()3223u x x y y ϕ=++对y 求导数，并且使它满足2364ux y y y∂=+∂，即得到()223664d y ux y x y y y dyϕ∂=+=+∂， 于是()34d y y dyϕ=，积分后得()4y y ϕ=， 将()y ϕ代入()3223u x x y y ϕ=++，得到32243u x x y y =++因此，方程的通解为32243x x y y c ++=，这里c 为任意常数．4 积分因子当方程()(),,0M x y dx N x y dy +=不是全微分方程时，则M Ny x∂∂=∂∂不成立． 4.1 积分因子 定义3[]()241P 如果存在连续可微的函数(),0x y μμ=≠，使得非全微分方程()(),,0M x y dx N x y dy +=两边同时乘以(),x y μ并且使得()()()(),,,,0x y M x y dx x y N x y dy μμ+=变为一个全微分方程，即存在函数(),x y ν使()()()(),,,,x y M x y dx x y N x y dy d μμν+≡则称(),x y μ为方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子．这时(),x y c ν=是()()()(),,,,x y M x y dx x y N x y dy d μμν+≡的通解．因而就是()(),,0M x y dx N x y dy +=的通解．全微分方程可以通过积分求出它的通解．因此能否将一个非全微分方程化为全微分方程就有很大的意义．积分因子是在考虑将非全微分方程化为全微分方程进行求解这一问题上引进的．对于某些简单的微分方程，可以通过“凑微分”的方法来找到它的积分因子．所以熟悉的掌握一些基本地二元函数的全微分是必要的．例如[]()143P ：()ydx xdy d xy += 2ydx xdyx d y y ⎛⎫-= ⎪⎝⎭2ydx xdy y d x x -+⎛⎫= ⎪⎝⎭ln ydx xdy y d xy x -⎛⎫= ⎪⎝⎭22ydx xdy y d arcty x y x -⎛⎫= ⎪+⎝⎭ 221ln2ydx xdy x yd x y x y⎛⎫--= ⎪-+⎝⎭例 2 方程0ydx xdy -=不是全微分方程，而21y 是它的积分因子，在方程两边同时乘以21y 后，即得到全微分方程20ydx xdy y -=解它得到：0x d y ⎛⎫= ⎪⎝⎭．即这个方程的通解为xc y =． 5 求积分因子一般情况下用方程来求解积分因子比求这个微分方程本身都困难，但是有一些特殊的微分方程还是比较适合求得它的积分因子的．5.1 积分因子不唯一定理 定理1[]()36P 如果方程()(),,0M x y dx N x y dy +=存在解，则该方程必有积分因子存在，且不唯一．5.2 只与x 或y 有关的积分因子对于方程()(),,0M x y dx N x y dy +=如果存在只与x 有关的积分因子的()x μμ=，则0y μ∂=∂．这时方程M N N M x y y x μμμ⎛⎫∂∂∂∂-=- ⎪∂∂∂∂⎝⎭变成了d M N N dx y x μμ⎛⎫∂∂=- ⎪∂∂⎝⎭，即M Nd y xdx Nμμ∂∂-∂∂=．由此可知，方程()(),,0M x y dx N x y dy +=有只与x 有关的积分因子的充要条件是()M N y x x N ψ∂∂-∂∂=，这里()x ψ仅是x 的函数．假如条件()M Ny xx Nψ∂∂-∂∂=成立，则根据方程M Nd y xdx Nμμ∂∂-∂∂=可以求得方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的一个积分因子()x dxe ψμ⎰=同样，假如()(),,0M x y dx N x y dy +=有只于y 有关的积分因子的充要条件是()M Ny xy Mϕ∂∂-∂∂=-，这里()y ϕ仅是关于y 的函数．从而求得方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的一个积分因子．例3 求解方程()4430x y dx xy dy +-= 解 因为M= 44x y +，N= 3xy -，所以34M y y ∂=∂，3Ny x∂=-∂，显然M N y x ∂∂≠∂∂，从而原方程不是全微分方程．考虑到33345y y xy x+=--，从而方程有只与x 有关的积分因子551dx x ex μ⎛⎫- ⎪⎝⎭⎰==． 原方程两边乘以积分因子μ，变为435410y y dx dx dy x x x+-=，整理得()44ln 04y d x d x ⎛⎫+-= ⎪⎝⎭，所以原方程的通解为44ln 4y x c x -=，（这里c 为任意的常数）． 例4 求解方程()0ydx y x dy +-= 解 因为M y =，N y x =-，所以1M y ∂=∂，1Nx∂=-∂也容易看出原方程不是全微分方程，所以方程有只与y 有关的积分因子221dy y eyμ⎛⎫- ⎪⎝⎭⎰==． 原方程两边都乘以积分因子μ，变成了2110xdx dy dy y y y+-=，整理得()ln 0x d y d y ⎛⎫+= ⎪⎝⎭，所以通解为ln xy c y +=（这里c 为任意常数）．另外，此方程还有0y =一个解．5.3 用分项组合的方法求积分因子下面我们再介绍一种用分项的方法求积分因子的方法． 当方程()(),,0M x y dx N x y dy +=不是全微分方程时，则M Ny x∂∂=∂∂不成立．但如果存在不恒为零的连续可微函数(),x y μμ=使方程()(),,0M x y dx N x y dy μμ+=成为全微分方程的积分因子．5.3.1 积分因子扩展定理 定理2[]()43132P - 如果(),x y μ是微分方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子，即存在可微函数(),x y μμ=使得()(),,M x y dx N x y dy du μμ+=那么(),x y μ也是方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子的充要条件是()(),x y u μμφ=，这里()u φ是u 的可微函数．证明 充分性．()()()()()()u Mdx Ndy u Mdx Ndy u du d u μφφμμφ+=+==Φ，这里()u Φ是()u φ的一个原函数，这就说明了()()0u Mdx Ndy μφ+=是全微分方程，其通解就是()u c Φ=（c 任意的常数）．必要性．因为(),x y μ是方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子，所以存在可微函数(),u u x y =，使得Mdx Ndy du μμ+=，两边都乘以μ，得()Mdx Ndy du du μμμμμ+==，所以()du u du μμμ==Φ，这里令()duu duΦ=为可微函数，得证． 5.3.2 分组求积分因子 定理3[]540P 如果μ是微分方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子，即Mdx Ndy du μμ+=，那么()u μϕ也是方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子，这里()u ϕ是u 的任何连续函数．证明 ()()()()()()u Mdx Ndy u Mdx Ndy u du d u μϕϕμϕ+=+==Φ，这里()u Φ是()u ϕ的一个原函数．对于比较复杂的微分方程，可以通过观察进行“分项组合”而求得积分因子．例如在分项组合的情况下，有()()11220M dx N dy M dx N dy +++=．然后，分别找出两组的积分因子1μ以及2μ，也就是说，存在函数()11,x y μμ=和()22,x y μμ=，使得11111M dx N dy du μμ+=，22222M dx N dy du μμ+=，再借助1μ以及2μ来求微分方程()()11220M dx N dy M dx N dy +++=的积分因子．这样，对于上述“分项组合”的情形，如果能够选取适当的函数()1u ϕ以及()2u ϕ，使得()()1122u u μμϕμϕ==，那么，μ即使第一组的积分因子，也是第二组的积分因子，因而也就是方程()()11220M dx N dy M dx N dy +++=的积分因子．例5 求微分方程()20xy y dx xdy ++=的通解．解 把它的左边“分项组合”成()20xy dx ydx xdy ++=．现在21μ=，2u xy =，于是(),x y φ是第二组的积分因子，只要适当选取(),x y φ，使(),x y φ也是第一组的积分因子即可．为此，取()221,x y x y φ=．在所给方程的两边乘以221x y得到()220d xy dx x x y +=， 积分得所给方程的通解为1ln x C xy-=，（这里C 为常数）． 5.4 积分因子是含x ，y 的关系式 连续可微函数(),x y μ为()(),,0M x y dx N x y dy +=式的积分因子即当()()()(),,,,0x y M x y dx x y N x y dy μμ+=时，存在函数(),x y ν，使()()()(),,,,x y M x y dx x y N x y dy d μμν+≡函数(),x y μ为()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子的充要条件是()()M N y xμμ∂∂=∂∂ 即：M N NM x y y x μμμ⎛⎫∂∂∂∂-=- ⎪∂∂∂∂⎝⎭， 若方程()(),,0M x y dx N x y dy +=具有形式(),x y μμ=Φ⎡⎤⎣⎦的积分因子，应有()(){}()(){},,,,x y M x y x y N x y y xμμ∂Φ∂Φ⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦=∂∂ 即M Nd y xd N M x yμμ∂∂-∂∂=Φ∂Φ∂Φ-∂∂， 从而()(),,0M x y dx N x y dy +=具有形式(),x y μμ=Φ的积分因子的充要条件为(),M Ny xf x y N M x y∂∂-∂∂=Φ⎡⎤⎣⎦∂Φ∂Φ-∂∂， 此时()f d e μΦΦ⎰=．例如（１）：当(),x y x y Φ=+时1x∂Φ=∂，1y ∂Φ=∂，从而()(),,0M x y dx N x y dy +=具有形如()x y μ+的积分因子的充要条件为()M Ny xf x y N M∂∂-∂∂=+-，()f d e μΦΦ⎰=其中(),x y x y Φ=Φ=+，例如（２）：当(),x y xy Φ=时，y x∂Φ=∂，x y ∂Φ=∂，从而()(),,0M x y dx N x y dy +=具有形如()xy μμ=的积分因子的充要条件是()M N y xf xy yN xM∂∂-∂∂=-， ()f d e μΦΦ⎰=，其中 (),x y xy Φ=Φ=．利用(),M Ny x f x y N M x y∂∂-∂∂=Φ⎡⎤⎣⎦∂Φ∂Φ-∂∂和()f d e μΦΦ⎰=两个式子还可以求出方程()(),,0M x y dx N x y dy +=还具有以下特殊形式：()x μ，()y μ，()x y μ-，()22x y μ-，()22x y μ+等好多的积分因子，相关证明请读者根据上述例题自己完成．参考文献[1] 王高雄，周之铭，朱思铭，王寿松．常微分方程[M]．北京：高等教育出版社，2000[2] 东北师范大学数学系微分方程教研室．常微分方程[M]．北京：高等教育出版社，2004[3] 滕文凯．积分因子的分组求法[J]．承德民族师专学报，2004.5，2期[4] 龚雅玲．求解微分方程的积分因子法[J]．南昌教育学院学报，2007，1期[5] 李振东，张永珍．求积分因子的新方法[J]．唐山学院报，2003，6期[6] (美)Dennis G．Zill，(美)Michael R．Cullen编．陈启宏，张凡，郭凯旋译．微分方程与边界值问题[M]．北京：机械工业出版社，2005[7] 徐安农，段复建．全微分方程与积分因子法[J]．桂林电子工业学院学报，2002.4，2期[8] Walter W. Ordinary differential equations. New york :springer-verlag, 1998。

1.5 全微分方程及积分因子一、全微分方程的定义及条件则它的全微分为是一个连续可微的函数设,),(y x U U =dy yU dx x U dU ¶¶+¶¶=如果我们恰好碰见了方程0),(),(=¶¶+¶¶dy yy x U dx x y x U 就可以马上写出它的通积分.),(c y x U=定义1使得若有函数),,(y x U dyy x N dx y x M y x dU ),(),(),(+=则称微分方程)1(,0),(),(=+dy y x N dx y x M 是全微分方程..),()1(c y x U =的通积分为此时如0=+ydx xdy 0)2()3(322=+++dy xy x dx y y x 0)()(=+dy y g dx x f 是全微分方程.=)(xy d =+)(23xy y x d =+òò))()((y d y g x d x f d 1.全微分方程的定义需考虑的问题(1) 方程(1)是否为全微分方程?(2) 若(1)是全微分方程,怎样求解?(3) 若(1)不是全微分方程,有无可能转化为全微分方程求解?2 方程为全微分方程的充要条件定理1则方程偏导数中连续且有连续的一阶域在一个矩形区和设函数,),(),(R y x N y x M )1(,0),(),(=+dy y x N dx y x M 为全微分方程的充要条件是).2(,),(),(x y x N y y x M ¶¶=¶¶)1(,0),(),(=+dy y x N dx y x M证明“必要性”设(1)是全微分方程,使得则有函数),,(y x U dy yU dx x U y x dU ¶¶+¶¶=),(dy y x N dx y x M ),(),(+=故有),,(y x M xU =¶¶),(y x N y U =¶¶从而从而有都是连续的和由于,22y x U x y U ¶¶¶¶¶¶,22y x U x y U ¶¶¶=¶¶¶故.),(),(xy x N y y x M ¶¶=¶¶yx U y N x y U y M ¶¶¶=¶¶¶¶¶=¶¶22,“充分性”，xy x N y y x M ¶¶=¶¶),(),(若解这个方程得看作参数把出发从,,)5(y 满足则需构造函数),,(y x U )4(,),(),(),(dy y x N dx y x M y x dU +=即应满足)5(),,(y x M x U =¶¶)6(),,(y x N yU =¶¶ò+=).(),(),(y dx y x M y x U j,)(的任意可微函数是这里y y j =¶¶y U 因此ò¶¶-=)7(),()(dx y x M y N dy y d j ,)7(无关的右端与下面证明x 的偏导数常等于零即对x 事实上]),([ò¶¶-¶¶dx y x M y N x ]),([ò¶¶¶¶-¶¶=dx y x M yx x N )6(),,(y x N y U =¶¶即同时满足使下面选择),6(),(U y j ò+¶¶dy y d dx y x M y )(),(j N =ò+=).(),(),(y dx y x M y x U j]),([ò¶¶¶¶-¶¶=dx y x M x y x N yM x N ¶¶-¶¶=.0º积分之得右端的确只含有于是,)7(,y ,]),([)(dy dx y x M y N y òò¶¶-=j 故ò=dx y x M y x U ),(),(,]),([dy dx y x M yN òò¶¶-+(8)。

全微分⽅程及积分因⼦1.5 全微分⽅程及积分因⼦⼀、全微分⽅程的定义及条件则它的全微分为是⼀个连续可微的函数设,),(y x U U =dy yU dx x U dU ??+??=如果我们恰好碰见了⽅程0),(),(=??+??dy yy x U dx x y x U 就可以马上写出它的通积分.),(c y x U=定义1使得若有函数),,(y x U dyy x N dx y x M y x dU ),(),(),(+=则称微分⽅程)1(,0),(),(=+dy y x N dx y x M 是全微分⽅程..),()1(c y x U =的通积分为此时如0=+ydx xdy 0)2()3(322=+++dy xy x dx y y x 0)()(=+dy y g dx x f 是全微分⽅程.=)(xy d =+)(23xy y x d =+òò))()((y d y g x d x f d 1.全微分⽅程的定义需考虑的问题(1) ⽅程(1)是否为全微分⽅程?(2) 若(1)是全微分⽅程,怎样求解?(3) 若(1)不是全微分⽅程,有⽆可能转化为全微分⽅程求解?2 ⽅程为全微分⽅程的充要条件定理1则⽅程偏导数中连续且有连续的⼀阶域在⼀个矩形区和设函数,),(),(R y x N y x M )1(,0),(),(=+dy y x N dx y x M 为全微分⽅程的充要条件是).2(,),(),(x y x N y y x M ??=??)1(,0),(),(=+dy y x N dx y x M证明“必要性”设(1)是全微分⽅程,使得则有函数),,(y x U dy yU dx x U y x dU ??+??=),(dy y x N dx y x M ),(),(+=故有),,(y x M xU =??),(y x N y U =??从⽽从⽽有都是连续的和由于,22y x U x y U ,22y x U x y U ???=???故.),(),(xy x N y y x M ??=??yx U y N x y U y M =??=??22,“充分性”，xy x N y y x M ??=??),(),(若解这个⽅程得看作参数把出发从,,)5(y 满⾜则需构造函数),,(y x U )4(,),(),(),(dy y x N dx y x M y x dU +=即应满⾜)5(),,(y x M x U =??)6(),,(y x N yU =??ò+=).(),(),(y dx y x M y x U j,)(的任意可微函数是这⾥y y j =??y U 因此ò??-=)7(),()(dx y x M y N dy y d j ,)7(⽆关的右端与下⾯证明x 的偏导数常等于零即对x 事实上]),([ò??-??dx y x M y N x ]),([ò-??=dx y x M yx x N )6(),,(y x N y U =??即同时满⾜使下⾯选择),6(),(U y j ò+??dy y d dx y x M y )(),(j N =ò+=).(),(),(y dx y x M y x U j]),([ò-??=dx y x M x y x N yM x N ??-??=.0o积分之得右端的确只含有于是,)7(,y ,]),([)(dy dx y x M y N y òò??-=j 故ò=dx y x M y x U ),(),(,]),([dy dx y x M yN òò??-+(8)。

积分因子与全微分方程积分因子与全微分方程1 微分方程的用途镭是一种放射性物质，它的原子不停地向外放射出氦原子和其它的射线．从而自身的原子量减少，这样就变成了其它的物质（如常见的铅）．一定质量的镭随着时间的变化，它的质量就会减少．现在已经发现镭的裂变速度（即单位时间裂变的质量）与它的剩余量成正比，设一块镭在时刻0t t =时，其质量0R R =，请确定这块镭在时刻t 的质量R ．分析：时刻t 时镭的剩余量R 是t 的函数，由于R 将随时间t 的流逝而减少．故镭的裂变速度dRdt应该是负值，于是按照镭的裂变规律可列出方程dRkR dt=-，其中k 为一正的比例常数． 1.1 微分方程定义1[]()1P 1 联系着自变量、未知函数以及它的导数的方程叫做微分方程．上式是一个关于未知函数R 的微分方程，上述的问题就是要从这个式子中求出未知函数()R R t =来．不仅镭的质量满足这样的规律，其它的放射性物质也都满足这一规律，不同的只是各种放射性物质具有各自不同的系数k ．从这个关系式出发，可以利用放射性物资来测定某种物体的绝对年龄，实际上，火箭的升空，弹道的计算，自动控制，化学反应过程中稳定性的研究等都要用到微分方程．微分方程其实就是联系着自变量，未知函数以及它的导数的关系式，它的本质也是一个方程．像上面这些例子都可以建立成微分方程的的模型．我们了解了什么是微分方程，和微分方程在现实中的应用．那么解这样的方程就是理所应当该首先考虑的问题了．2 全微分方程的定义我们可以将一阶方程(),dyf x y dx=写成微分的形式(),0f x y dx dy -=，写成具有对称形式的一阶微分方程()(),,0M x y dx N x y dy +=．其中(),M x y ，(),N x y 在某矩形域内是x ， y 的连续且具有连续的一阶偏导数． 2.1 全微分方程定义2[]()139P 如果微分方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的左边恰好是某个二元函数(),u x y 的全微分，即()()(),,,M x y dx N x y dy du x y +≡u u dx dy x y≡+?? 则称()(),,0M x y dx N x y dy +=为全微分方程．3 全微分方程的求解知道了什么是全微分方程，自然会提出一些问题，①如何来判断方程是全微分方程，②判断了方程为全微分方程，那如何来求全微分方程的通解呢？下面我们来给一些结论：方程()(),,0M x y dx N x y dy +=为全微分方程的冲要条件为：M Ny x=??．一般求解全微分方程通解的过程我们用一个例题来演示一下：例1 求()()222336640x xy dx x y y dy +++=的通解．解这里2236M x xy =+，2364N x y y =+，这时12M xy y ?=?，12N xy x=?，因此方程是全微分方程．现在求u ，使它满足如下两个方程2236ux xy x=+?， 2364ux y y y=+?，由2236ux xy x=+?，对x 积分，得到 ()3223u x x y y ?=++．为了确定()y ?，将()3223u x x y y ?=++对y 求导数，并且使它满足2364ux y y y=+?，即得到()223664d y ux y x y y y dy=+=+?，于是()34d y y dy=，积分后得()4y y ?=，将()y ?代入()3223u x x y y ?=++，得到32243u x x y y =++因此，方程的通解为32243x x y y c ++=，这里c 为任意常数．4 积分因子当方程()(),,0M x y dx N x y dy +=不是全微分方程时，则M N y x=??不成立． 4.1 积分因子定义3[]()241P 如果存在连续可微的函数(),0x y μμ=≠，使得非全微分方程()(),,0M x y dx N x y dy +=两边同时乘以(),x y μ并且使得()()()(),,,,0x y M x y dx x y N x y dy μμ+=变为一个全微分方程，即存在函数(),x y ν使()()()(),,,,x y M x y dx x y N x y dy d μμν+≡则称(),x y μ为方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子．这时(),x y c ν=是()()()(),,,,x y M x y dx x y N x y dy d μμν+≡的通解．因而就是()(),,0M x y dx N x y dy +=的通解．全微分方程可以通过积分求出它的通解．因此能否将一个非全微分方程化为全微分方程就有很大的意义．积分因子是在考虑将非全微分方程化为全微分方程进行求解这一问题上引进的．对于某些简单的微分方程，可以通过“凑微分”的方法来找到它的积分因子．所以熟悉的掌握一些基本地二元函数的全微分是必要的．例如[]()143P ：()ydx xdy d xy += 2ydx xdyx d y y ??-=2ydx xdy y d x x -+??=ln ydx xdy y d xy x -??=22ydx xdy y d arcty x y x -?= ?+?221ln2ydx xdy x yd x y x y--= ?-+??例 2 方程0ydx xdy -=不是全微分方程，而21y 是它的积分因子，在方程两边同时乘以21y 后，即得到全微分方程20ydx xdy y -=解它得到：0x d y ??=．即这个方程的通解为xc y =． 5 求积分因子一般情况下用方程来求解积分因子比求这个微分方程本身都困难，但是有一些特殊的微分方程还是比较适合求得它的积分因子的．5.1 积分因子不唯一定理定理1[]()36P 如果方程()(),,0M x y dx N x y dy +=存在解，则该方程必有积分因子存在，且不唯一．5.2 只与x 或y 有关的积分因子对于方程()(),,0M x y dx N x y dy +=如果存在只与x 有关的积分因子的()x μμ=，则0y μ?=?．这时方程M N N M x y y x μμμ-=- 变成了d M N N dx y x μμ??=-，即M Nd y xdx Nμμ??-=．由此可知，方程()(),,0M x y dx N x y dy +=有只与x 有关的积分因子的充要条件是()M N y x x N ψ??-??=，这里()x ψ仅是x 的函数．假如条件()M Ny xx Nψ??-??=成立，则根据方程M Nd y xdx Nμμ??-=可以求得方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的一个积分因子()x dxe ψμ?=同样，假如()(),,0M x y dx N x y dy +=有只于y 有关的积分因子的充要条件是()M Ny xy M-??=-，这里()y ?仅是关于y 的函数．从而求得方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的一个积分因子．例3 求解方程()4430x y dx xy dy +-= 解因为M= 44x y +，N= 3xy -，所以34M y y ?=?，3Ny x=-?，显然M N y x ??≠??，从而原方程不是全微分方程．考虑到33345y y xy x+=--，从而方程有只与x 有关的积分因子551dx x ex μ??-==．原方程两边乘以积分因子μ，变为435410y y dx dx dy x x x+-=，整理得()44ln 04y d x d x ??+-=，所以原方程的通解为44ln 4y x c x -=，（这里c 为任意的常数）．例4 求解方程()0ydx y x dy +-= 解因为M y =，N y x =-，所以1M y ?=?，1Nx=-?也容易看出原方程不是全微分方程，所以方程有只与y 有关的积分因子221dy y eyμ??-==．原方程两边都乘以积分因子μ，变成了2110xdx dy dy y y y+-=，整理得()ln 0x d y d y ??+=，所以通解为ln xy c y +=（这里c 为任意常数）．另外，此方程还有0y =一个解．5.3 用分项组合的方法求积分因子下面我们再介绍一种用分项的方法求积分因子的方法．当方程()(),,0M x y dx N x y dy +=不是全微分方程时，则M Ny x=??不成立．但如果存在不恒为零的连续可微函数(),x y μμ=使方程()(),,0M x y dx N x y dy μμ+=成为全微分方程的积分因子．5.3.1 积分因子扩展定理定理2[]()43132P - 如果(),x y μ是微分方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子，即存在可微函数(),x y μμ=使得()(),,M x y dx N x y dy du μμ+=那么(),x y μ也是方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子的充要条件是()(),x y u μμφ=，这里()u φ是u 的可微函数．证明充分性．()()()()()()u Mdx Ndy u Mdx Ndy u du d u μφφμμφ+=+==Φ，这里()u Φ是()u φ的一个原函数，这就说明了()()0u Mdx Ndy μφ+=是全微分方程，其通解就是()u c Φ=（c 任意的常数）．必要性．因为(),x y μ是方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子，所以存在可微函数(),u u x y =，使得Mdx Ndy du μμ+=，两边都乘以μ，得()Mdx Ndy du du μμμμμ+==，所以()du u du μμμ==Φ，这里令()duu duΦ=为可微函数，得证． 5.3.2 分组求积分因子定理3[]540P 如果μ是微分方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子，即Mdx Ndy du μμ+=，那么()u μ?也是方程()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子，这里()u ?是u 的任何连续函数．证明()()()()()()u Mdx Ndy u Mdx Ndy u du d u μ??μ?+=+==Φ，这里()u Φ是()u ?的一个原函数．对于比较复杂的微分方程，可以通过观察进行“分项组合”而求得积分因子．例如在分项组合的情况下，有()()11220M dx N dy M dx N dy +++=．然后，分别找出两组的积分因子1μ以及2μ，也就是说，存在函数()11,x y μμ=和()22,x y μμ=，使得11111M dx N d y du μμ+=，22222M dx N dy du μμ+=，再借助1μ以及2μ来求微分方程()()11220M dx N dy M dx N dy +++=的积分因子．这样，对于上述“分项组合”的情形，如果能够选取适当的函数()1u ?以及()2u ?，使得()()1122u u μμ?μ?==，那么，μ即使第一组的积分因子，也是第二组的积分因子，因而也就是方程()()11220M dx N dy M dx N dy +++=的积分因子．例5 求微分方程()20xy y dx xdy ++=的通解．解把它的左边“分项组合”成()20xy dx ydx xdy ++=．现在21μ=，2u xy =，于是(),x y φ是第二组的积分因子，只要适当选取(),x y φ，使(),x y φ也是第一组的积分因子即可．为此，取()221,x y x y φ=．在所给方程的两边乘以221x y得到()220d xy dx x x y +=，积分得所给方程的通解为1ln x C xy-=，（这里C 为常数）． 5.4 积分因子是含x ，y 的关系式连续可微函数(),x y μ为()(),,0M x y dx N x y dy +=式的积分因子即当()()()(),,,,0x y M x y dx x y N x y dy μμ+=时，存在函数(),x y ν，使()()()(),,,,x y M x y dx x y N x y dy d μμν+≡函数(),x y μ为()(),,0M x y dx N x y dy +=的积分因子的充要条件是()()M N y xμμ??=?? 即：M N NM x y y x μμμ-=-，若方程()(),,0M x y dx N x y dy +=具有形式(),x y μμ=Φ的积分因子，应有()(){}()(){},,,,x y M x y x y N x y y xμμ?Φ?Φ=?? 即M Nd y xd N M x yμμ??-=Φ?Φ?Φ-??，从而()(),,0M x y dx N x y dy +=具有形式(),x y μμ=Φ的积分因子的充要条件为(),M Ny xf x y N M x y-??=ΦΦ?Φ-??，此时()f d e μΦΦ=．例如（１）：当(),x y x y Φ=+时1xΦ=?，1y ?Φ=?，从而()(),,0M x y dx N x y dy +=具有形如()x y μ+的积分因子的充要条件为()M Ny xf x y N M-??=+-，()f d e μΦΦ=其中(),x y x y Φ=Φ=+，例如（２）：当(),x y xy Φ=时，y xΦ=?，x y ?Φ=?，从而()(),,0M x y dx N x y dy +=具有形如()xyμμ=的积分因子的充要条件是()M N y xf xy yN xM-??=-，()f d e μΦΦ=，其中(),x y xy Φ=Φ=．利用(),M Ny x f x y N M x y-??=ΦΦ?Φ-??和()f d e μΦΦ?=两个式子还可以求出方程()(),,0M x y dx N x y dy +=还具有以下特殊形式：()x μ，()y μ，()x y μ-，()22x y μ-，()22x y μ+等好多的积分因子，相关证明请读者根据上述例题自己完成．参考文献[1] 王高雄，周之铭，朱思铭，王寿松．常微分方程[M]．北京：高等教育出版社，2000[2] 东北师范大学数学系微分方程教研室．常微分方程[M]．北京：高等教育出版社，2004[3] 滕文凯．积分因子的分组求法[J]．承德民族师专学报，2004.5，2期[4] 龚雅玲．求解微分方程的积分因子法[J]．南昌教育学院学报，2007，1期[5] 李振东，张永珍．求积分因子的新方法[J]．唐山学院报，2003，6期[6] (美)Dennis G．Zill，(美)Michael R．Cullen编．陈启宏，张凡，郭凯旋译．微分方程与边界值问题[M]．北京：机械工业出版社，2005[7] 徐安农，段复建．全微分方程与积分因子法[J]．桂林电子工业学院学报，2002.4，2期[8] Walter W. Ordinary differential equations. New york :springer-verlag, 1998。

全微分⽅程与积分因⼦全微分⽅程定义如果⽅程M(x,y)dx+N(x,y)dy=0$的左端恰好是某个⼆元函数u(x,y)的全微分，即M(x,y)dx+N(x,y)dy≡du(x,y)则⽅程为全微分⽅程，u(x,y)称为⽅程的⼀个原函数定理⽅程是全微分⽅程的充要条件是:设函数M(x,y)，N(x,y)在xoy平⾯上的单连通域D内连续可微，那么在D内恒成⽴∂(M(x,y))∂y=∂(N(x,y))∂x成⽴则函数u(x,y)=∫x x0M(x,y0)dx+∫y yN(x,y)dy或u(x，y)=∫x x0M(x,y)dx+∫y yN(x0,y)dy是⽅程原函数，其中(x0,y0)∈D全微分⽅程求解⽅法①线积分法如上述定理u(x,y)=c②不定积分法du(x,y)=M(x,y)dx+N(x,y)dy 由此得到:∂u∂x=M(x,y)，∂u∂y=N(x,y)所以u(x,y)=∫M(x,y)dx+φ(y)另⼀⽅⾯∂u(x,y)∂y=∂∂y∫M(x,y)dx+φ′(y)=N(x,y)由此确定φ′(y)，积分求得φ(y)把φ(y)代⼊u(x,y)=∫M(x,y)dx+φ(y)即得u(x,y)所以通解为u(x,y)=c③观察法常⽤的全微分⽅程表达式xdx+ydy=d(x2+y2 2)xdx+ydy x2+y2=12dln(x2+y2)xdy−ydxx2=d(y x)xdy+ydxxy=dln(xy)xdy−ydxx2+y2=d(arctan y x)xdy−ydx x2−y2=12dlnx+yx−y例题例12xydx+(x2−y2)dy=0∂M(x,y)∂y=2x=∂N(x,y)∂x所以⽅程是全微分⽅程取x0=0,y0=0得u(x,y)=∫x00dx+∫y0(x2−y2)dy=x2y−y3 3于是通解为x2y−y33=c例22x(1+√x2−y)dx−√x2−ydy=0∂M(x,y)∂y=−x√x2−y=∂N(x,y)∂x所以⽅程是全微分⽅程2xdx+(2x√x2−ydx−√x2−ydy)=0即dx2+d(23(x2−y)32)=0所以⽅程通解为x2+23(x2−y)32=c积分因⼦定义:若存在可微函数µ=µ(x,y)使µM(x,y)dx+µN(x,y)dy=0是全微分⽅程，则称µ(x,y)为⽅程的积分因⼦定理1:µ(x,y)是⽅程积分因⼦的充要条件是∂(µM)∂y=∂(µM)∂x定理2:若µ(x,y)是⽅程的⼀个积分因⼦，且µMdx+µNdy=dU则µφ(U)也是⽅程的积分因⼦，其中φ(U)是U的任⼀连续函数积分因⼦求法①观察法常⽤积分因⼦−1x2,1y2，1xy,1x2+y2,1x2−y2②公式法若⽅程M(x,y)dx+N(x,y)dy=0中的M(x,y),N(x,y)满⾜Ⅰ、1 N(∂M∂y−∂N∂x)=φ(x)(仅是x的函数)则它有积分因⼦µ(x)=e∫φ(x)dx Ⅱ、−1M(∂M∂y−∂N∂x)=φ(y)(仅是y的函数)则它有积分因⼦µ(y)=e∫φ(y)dyⅢ、分组求积分因⼦法(M1dx+N1dy)+(M2dx+N2dy)=0分别求得各组的积分因⼦µ1和µ2于是就可找到u1，u2使µ1M1dx+µ1N1dy=du1µ2M2dx+µ2N2dy=du2选适当函数Φ1(u1),Φ2(u2)使µ1Φ1(u1)=µ2Φ2(u2)可求得⽅程积分因⼦为µ1Φ1(u1)(x4+y4)dx−xy3dy=0∂M∂y=4y3,∂N∂x=−y3所以∂M ∂y−∂N ∂xN=5−x所以µ(x)=e∫5−x dx=1x5⽅程两边乘1x5得dxx+y4x5dx−y3x4dy=0即d(ln|x|)−d(y44x4)=0⽅程通解为ln|x|−y44x4=cProcessing math: 100%。

全微分方程与积分因子定义的修正
郭三刚
【期刊名称】《高等数学研究》
【年(卷),期】2018(21)3
【摘要】一个方程是否为全微分方程,或者一个方程是否有积分因子,都与方程的定义区域密切相关.本文纠正了通行教材中全微分方程和积分因子的不严谨的定义,并修正了全微分方程判定定理和方程仅有依赖于单个变量积分因子的判定定理.
【总页数】3页(P7-9)
【作者】郭三刚
【作者单位】陕西理工大学数学与计算机科学学院,陕西汉中723000
【正文语种】中文
【中图分类】O172
【相关文献】
1.全微分方程与积分因子法 [J], 徐安农;段复建
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3.企业战略变革的定义比较、测量述评及量表开发——兼对笔者原战略变革定义的修正与操作化 [J], 冯海龙
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5.我认为列宁的物质定义不需要修正——与《关于物质的定义问题》一文商榷 [J], 张保卫
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