第八章 常微分方程
考试内容
常微分方程的基本概念,变量可分离的微分方程 齐次微分方程 一阶线性微分方程 贝努利(Ber-noulli)方程 全微分方程 可用简单变量代换求解的微分方程 可降阶的高微分方程 线性微分方程解的性质及解的结构定理 二姐常系数齐次线性微分方程 高于二阶的某些齐次线性微分方程 简单的二阶常系数非齐次线性微分方程 Euler方程 微分方程的简单应用
考试要求
1. 了解微分方程及其阶,解,通解,初始条件及特解等概念。
2. 掌握变量可分离的微分方程及一阶线性微分方程的解法,会解齐次微分方程。
3. 会解Ber-noulli方程和全微分方程(数二,三不要求),会用简单的变量代换解某些微分方程。
4. 会用降阶法解下列微分方程:
5. 理解线性微分方程解的性质及解的结构定理。
6. 掌握二阶常系数齐次线性微分方程的解法,并会街某限额高于二阶的常系数齐次线性微分方程。
7. 会解自由项多项式,指数函数,正弦函数,余弦函数,以及它们的和与积的二阶常系数非其次线性微分方程。
8. 会解Euler方程(数二,三不要求)。
9. 会用微分方程解决一些简单的应用问题。
重点内容和长常见题型
1. 求五类典型类型的一阶微分方程的通解或特解:这类问题首先是判别方程类型,当然,有些方程不直接而属于我们学过的类型,此时常用的方法是将x与y对调或作适当的变量代换,把原方程化为我们学过的类型;
2. 求解可降阶方程;
3. 求线性常系数齐次和非齐次方程的特解或通解;
4. 根据实际问题或给定的条件建立微分方程并求解;通常是引用物理,力学的定律,几何知识等,运用数学的工具建立微分方程与相应的定解条件(重要)。
5. 综合题,常见的是以下内容的综合:变上限定积分,变积分域的重积分,线积分与路径无关,全微分的充要条件,偏导数等。
8,1 一阶微分方程的类型与解法
一.基本内容
一阶微分方程的一般形式为其中为(x,y)的已知函数,可以缺x或缺y,或者两者都缺。为x,y,的已知函数,x或y或(x,y)可缺,但必须含有。
微分方程的求解:认清类型,按类型求解、一阶微分方程最基本的类型,特征及其解法总结如下:
评注:①在微分方程中不定积分等只表示一个固定的原函数,积分常熟总是另外标出,这是与不定积分不同的习惯。
②在分离变量方程中,使g(y)=0的点为原方程的特解,在求解过程中不可丢弃。
③对一阶线性微分方程,积分因子法避免了常数变易法的麻烦,又避免记错一阶线性方程解解的公式,希望考生掌握。
通过简单变量代换化为三种基本类型的方程主要有(列表如下)
评注:关于齐次方程的判定采用如下方法较为简便:用tx和ty(t0)代替方程x和y,经过化简方程的形式不变,则方程应判为齐次微分方程。
二.解题方法,技巧与例题分析
例8,1,1(1994,Ⅲ)填空题:微分方程的通解为( )。
解:方程为可分离变量方程,变形为,两端积分得通解为
注:一般来说,当y=0时,不能用y来除,所以y-=0是方程的特解,这是在方程求解中应予注意,不过在这里只要允许C=0,特解y=0依然包含在通解之中。》
例8,1,2(1998,1,II)填空题:已知函数y=f(x)在任意点x处的增量,且当0时,的高阶无穷小,y(0)=,则y(1)等于( )。
解:由微分的定义可知:,这是一个可分离变量方程,注意到y(0)=,解得y(x)=,因此y(1)=。
例8.1.3(2002,II)已知函数f(x)在(0,)内可导,f(x)>0. .且满足 。求f(x)。
解:因为所以解之得f(x)=C。再由,可得C=1,因此f(x)=。
例8,1,2(2004,II)函数f(x)在上可导,f(0)=1,且满足等式。
(1) 求导数.
(2) 证明:当x 时,成立不等式:。
解:(1)由题设知。上式两端关于x求导。得。于是,解上述方程可得:。
再由f(0)=1和题中等式可得,因此。
(3) 由,可得。注意到。当。故知。
例8,1,5(1992,1,II)填空题:微分方程的通解为y=( )
、解:方程为一阶线性方程,用乘以方程两端,得两端积分得.
例8,1,6(1991,Ⅲ)求微分方程的特解。
解:原方程可改写为,因此对方程两端从1到x积分得,故。
注:一般的,对求特解问题,先求通解,然后利用定律条件确定通解中的积分常数,但是,在实际计算中,如果直接作定积分,可避免确定定积分常数,直接得到特解。
例8,1,7(1999,Ⅲ)设微分方程试求在()内连续函数y=y(x),使之在内满足方程,且满足条件y(0)=0.
分析:所给方程为一阶线性非齐次方程。非齐次项为分段函数,故应分段求解。因y(0)=0.应先在上求解,再注意到y(x)在()上连续,即,即可得到在上的解。
解:当时,有因此由y(0)=0可得,因此y(x)在()上连续,所以=。
又当x>1时,有,故在[1,x]上积分可得,故得在()的连续函数
例:8,1,8(1996,Ⅲ)设f(x)为连续函数,
(1) 求初值问题的解y(x),其中a是正常数;
(2) 若(k为常数),证明当。
解:(1)在方程两端同乘,得,故得
(2)。
例8,1,9(1993,1,II)求微分方程满足初始条件y(1)=1的特解。
分析:首先注意到所给的方程为齐次方程,故可按齐次方程的解法求解。又若将方程改写为,可见方程也是Bernoulli方程,因此也可按Bernoulli方程的解法求解。
解①:因方程为齐次方程,令y=xu,方程化为分离变量后,积分得再利用y(1)=1得C=-1,故。
解②因方程为Bernoulli方程,令,解得。再利用y(1)=1得C=,故得
解③:原方程可改写为。令u=xy,则,解得。因此。利用,故得。
评注:本题的关键是判别方程的类型,解法③是针对方程的具体特点给出的特殊解法。
例8,1,10(1997,II)求微分方程的通解。
分析:可以判断此方程既是齐次方程,又是全微分方程,故他有若下几种基本解法。
解①:因方程为齐次方程,令y=xu,方程化为。解得,即
解②:因方程为全微分方程,可采用特殊路径积分法。取(0,0)为起点,(x,y)为终点,可得其通解为。
解③:用凑微分方法求解如下:,所以,方程的通解为。
解④:用不点积分求解如下:设其通解为u(x,y)=C,则由第一式关于x积分得,代入第二个式子,得,由此可得因此原方程的通解为。
评注:对于全微分方程,一般由上述三种解法,通常凑微分法比较简便。
例8,1,11(1994,1,II)设f(x)具有二阶连续导数,f(0)=0,且。为一全微分方程,求f(x)及此微分方程的通解。
解:由全微分方程的充要条件知。
由f(0)=0.,可得。
于是原方程为,其通解为。
例8,1,12(1998,II)设函数f(x)在连续,若由曲线y=f(x),直线与x轴所围成的平面图形绕x轴旋转一周所成的旋转体体积为。试求y=f(x)所满足的微分方程,并求该方程满足条件的解。
解:依题意得,即。两边对t求导得。此方程是Bernoulli方程,也是齐次微分方程。这里采用特殊解法:将方程化为。注意到f(2)=,两端关于x从2到x积分可得。
例8,1,13(2009,Ⅲ)设f(x)是可数函数,且f(x)>0,已知曲线y=f(x)与直线y=0,x=1及x=t(t>1)所围成的曲边梯形绕x轴旋转一周所得的立体的体积是曲边梯行面积值的倍,求曲线方程。
解:由题设可知,两边关于t求导两次可得。记y=f(t),则(2y-t),即,于是两边关于y在上积分可得。
例8,1,12(2001,II)一个半球体的雪堆,其体积融化的速度与半球面面积S成正比,比例系数为K>0.假设在融化过程中雪堆始终保持半球体状,已知半径为的雪堆在开始融化的3小时内,融化了其体积的,问雪堆全部融化需要多少时间?
解:设雪堆在时刻t的体积V=,侧面积,由题设知
,于是
积分得r=-Kt+C,又即 ,这样K=,从而r=C-t 。因雪堆全部融化时r=0,故得t=6,即雪堆全部融化需六小时。
例8.1.15(1998,I,II)从船上向海中沉放探测仪器,安探测要求,需确定仪器的下沉速度y(从海平面算起)与下沉速度v之间的函数关系,设仪器在重力的作用下,从海平面由静止开始铅直下沉,在下沉过程中还受到阻力与浮力的作用,设仪器的质量为m,体积为B,海水比重为ρ,仪器所受的阻力与下沉速度成正比,比例系数为k(k)0)。试建立y与v所满足的微分方程,并求出函数关系式y=y(v)。
解:取沉放点为坐标原点o,oy轴正向铅直向下,则由牛顿第二定律得 ,将 代入消去t,得v与y之间的微分方程。 分离变量,积分得。由初始条件=0定出常数C,可得所求函数关系式为 。
例;8.1.16(2000,II)某湖泊的水量为V,每年排入湖泊内含污物A的污水量为,流入湖泊内不含A的水量为,已知1999年底湖中A的含水量为5,超过国家固定指标。为了治理污染,从20##年初起,限定排入湖泊中含A污水的浓度不超过,问至少需经过多少年,湖泊中污染物A的含量可降至以内?(设湖水中A的浓度时均匀的)
解:设从20##年初(令此时t=0)开始,第t年湖泊中污染物A的总量为m,浓度为,则在时间段【t,t+dt】内,排入湖泊中A的量为,流出湖泊的水中A的量为,因而在此时间段内湖泊中污染物A的改变量为。注意到,可得,令,得t=6ln3,即至少经过6ln3 年,湖泊中污染物A的含量降至以内。
8.2 可降阶的高阶微分方程及其解法
一.基本内容
可降阶的微分方程主要有三种,其特征和解法总结如下:
二.解题方法,技巧与例题分析
例 8.2.1(2007,II) 求微分方程满足初始条件y(1)=(1)=1的特解。
解:令,则,于是,注意到x=1时p=1,所以,因此
例8.2.2(1991,I,II)在上半平面求一条向上凹的曲线,其上任一点P(x,y)处的曲率等于此曲线在该点的法线段PQ长度的倒数(Q是法线与x轴的交点),且曲线在点(1,1)处的切线与x轴平行。
解:曲线y=y(x)在P(x,y)处的法线方程是 ()。它与x轴的交点是(x +y,0),从而P点到x轴的法线段PQ的长度是 ,=0也满足上式。根据题意得微分方程,即,且当x=1时,y=1,=0.令=p,则,代入方程,得, 或 。
两端积分并注意到y=1时,p=0,即得,于是有 或 ,积分上式,并注意到x=1时,y=1得,因此,所求的曲线方程为,即。
注:将代回原方程可得,从而 再由y(1)=1,可得 。
例 8.2.3(2002,I,II)填空题:微分方程满足条件的特解是( )
解:原方程可化为,两端关于x从0到x积分得 即 两端再对x从0到x积分得
评注:此题属于类型(3)的可降介微分方程,但按一般解法比较复杂,根据方程的特殊结构给出的上述解法比较简单。
例8.2.4(1996,I,II)设对任意 x.>0 ,曲线 y=f(x)上点(x,f(x))处的切线在y轴上的截距等于.求f(x)的一般表达式。
解:曲线y=f(x)上点(x,f(x))处的切线方程为. 令X=0,得截距。由题意知 ,即 。上式对x求导,化简得 ,积分得 ,因此 .
例:8.2.5(1999,I,II)设函数y(x)(x》0)二阶可导且, y(0)=1,过曲线y=y(x)上任意一点P(x,y)作该曲线的切线即x轴的垂线,上述两直线与x轴所围成的三角形的面积即为,区间【0.x】上以y=y(x)为曲边的曲边梯形面积记为,并设,求此曲线的y=y(x)的方程。
解:
曲线y=y(x)上点(x,y)处的切线方程为 。它与x轴的交点为,由于, y(0)=1,从而y(x)>0,于是 又,故 两边对x求导并简化得 ,则上述方程可化为 解之得 于是 。注意到y(0)=1, ,可得。
例:8.2.6(1993.I,II)设物体A从(0,1)出发,以速度大小为常数v沿y轴正向运动,物体B从点(-1,0)与A同时出发,其速度大小为2v方向始终指向A,势建立物体B的运动轨迹所满足的微分方程,并写出初始条件。
解: 轨迹如图所示。设在时刻t,B位于点(x,y)处,则,两边对x求导得 。由于,, 所以,要求的微分方程为 ,其初始条件为。
注:由方程和初始条件可以得到物体B的运动轨迹方程,作为习题。
8.3 线性微分方程解的结构
一.基本内容
这里只限于讨论二阶线性方程,其结论可推广到高阶的线性方程,二阶线性方程的一般形式为 (1)
当f(x)=0时,有
(2)
称之为与(1)对应的二阶线性齐次方程,同时称(1)为二阶线性非齐次方程。
1.如果是齐次方程(2)的特解,则其线性组合
(,是任意常数)
仍是方程(2)的解,特别地,当和线性无关时,
(,是任意常数)
是方程(2)的通解。
2.如果 ,是非齐次方程(1)的两个解,则-是齐次方程(2)的解。
3.设是非齐次方程(1)的一个特解,Y是齐次方程(2)的通解,则y=Y+是非齐次方程(1)的通解
4.设方程(1)中,,而y分别是方程
与
的特解,则就是方程
的特解。
注:结论2,3和4对一阶线性微分方程也成立。
对于二阶常系数齐次线性方程
(p,q为常数) (3)
称代数方程
为方程(3)的特征方程,特征方程的解称为方程(3)的特征根。由特征根可得方程(3)通解的结构如下表:
注:对高阶线性常系数齐次微分方程有类似的通解结构。
二.解题方法,技巧与例题分析
例 8.3.1(1995,III)设是微分方程的一个解,求此微分方程满足条件的特解。
解:以代入原方程,得,解出,将p(x)代入原方程得。
由于是方程的一个特解,所以只需解其对齐次方程的解。将齐次方程分离变量,并积分得
,
即齐次方程的通解为,所以,原方程的通解为
把代入,得,故所求特解为
。
例 8,3,2(1989,I,II)选择题:设线性无关的函数都是二阶非齐次线性方程的解,是任意常数,则该非齐次线性方程的通解是【】
(A) (B)
(C ) (D)
分析:根据线性方程解的结构定理知,对本题中的二阶线性方程,非齐次方程的通解为,其中和是对应的齐次方程的两个线性无关的特解,是非齐次方程的特解,又由于非齐次方程两个解之差事齐次方程的一个解,由此很快求出和。
解:由题设-和-是对应齐次方程的两个解,且-与-线性无关。事实上,若令
,
则
由线性无关,则必有==0,因此-与-线性无关。从而
y=
是原方程的通解。故应选(D)。
例 8.3.3 (1997,II)已知,,是某二阶线性非齐次微分方程的三个解,求此微分方程。
解①:由线性微分方程解的结构定理知-=,为相应齐次微分方程的特解。因此,相应齐次方程有两个线性无关解与,是线性非齐次方程的一个特解,故是所求非齐次方程的童鞋,从而有
,,
消去,,得所求方程为。
解②:由线性微分方程解的结构定理知与是相应齐次方程的两个无关解,是线性非齐次方程的一个特解,故可设此方程为。
将代入,得。因此所求方程为。
例 8.3.4(2000,II)选择题:具有特解的三阶常系数线性微分方程是【】
(A) (B)
(C ) ( D)
解:甴题设知r=-1,-1,1 为所求齐次线性微分方程对应特征方程的三个根,而,故应选(B).
评注:此题的另一种解法是,由条件知所求方程的通解为,然后通过消去 ,, 得所求方程。
例: 8.3.5(2001,I) 填空题:设(,为任意常数)为某二阶常系数线性齐次微分方程的通解,则该方程为()
解:由题设可知方程特征根为,则其特征方程为,故所求方程为。
评注:此题可先求出,,然后消去和得出方程。
8.4高阶微分方程的解法
一.基本内容
1.二阶常系数线性微分方程的解法
二阶常系数微分方程
, (p,q为常数)
当f(x)=0时,其解可由特征方程的根和解的结构定理直接得到。
当f(x)0时,其解法为:,其中为对应齐次方程通解,为非齐次方程的一个特解。对某些特殊的非齐次项f(x),特解可用待定系数法求出,它的形式如下:
其中表示x的m次多项式。
评注:由韦达公式可知特征方程的根和满足+=-q , =q。因此方程 可以改写为,即 。若令u(x)=,则二阶常系数非齐次方程可化为方程组,,,进行求解。
2.Euler方程的解法
形如 ,(x)0)
的方程称为Euler方程,它的解法是做变换或,即将自变量换位t,则有
… … …
将这些关系式代入Euler方程,就换为n阶常系数线性方程,从而可利用n阶常系数线性方程的结构得到它的解。
二.解题方法,技巧与例题分析
例 8.4.1(1993,III)设二阶常系数线性微分方程
的一个特解为。试确定常数,并求该方程的通解。
解:由题设知原方程的特征根为1和2,所以特征方程为(r-1)(r-2)=0,即,故知,
为确定,只需将特解代入方程,得,由此可知,从而原方程的通解为.
评注:本题也可将特解代入原方程,比较方程两端同类项的系数求出
例 8.4.2(1987,I)求微分方程的通解。
解:该方程对应的七次方程的特征方程为,其根为,则齐次方程的通解为
时;
时。
由于r=0为特征方程的单根,则可设非齐次方程的特解为
,
代入原方程得
故原方程的特解为
, 时;
, a=0时
注:此题可令u=变为二阶线性常系数方程进行求解。
例 8.4.3(1998,I)设函数y=f(x)满足微分方程,且其图形在点(0,1)处的切线与曲线在该点的切线重合,求函数f(x)。
解①:本题所给方程对应的齐次方程的特征方程为
=0,
其根为,
则齐次方程的通解为 ,
由于r=1为特征方程的单根,则可设非齐次方程的特解为
代入原方程 A=-2 ,
故原方程的通解为
。
由题设曲线 与在点(0,1)处的切线重合可知,y(0)=1, ,则有
1=+ , -1= +2-2,
解之得=1,,故所求的解为
。
解②:令,则得
解得 ,
因此
,
解得
以下过程同解法①。
例:8.4.4(1991,III)求微分方程 的通解。
解:由于方程的特征方程,特征根为,故知原方程对应的齐次方程的通解为
设非齐次方程的特解为=Ax+B,代入方程得A=1,B=0,所以=x。
设非齐次方程的特解为,代入方程得E=0,D=,所以
因此原方程的通解为
例 8.4.5(1998 ,II)利用代换将方程
化简,并求出原方程的通解。
解:由 u=ycosx 两端对x求导,得
, 。
于是 原方程化为 ,
其 通解为 。
从而原方程的通解 为
。
例 8.4.6 (2003,I,II)设函数y=y(x)在()内具有二阶导数,且,x=x(y)是
y=y(x)的反函数。
(1)试讲x=x(y)所满足的微分方程变换为y=y(x)满足的微分方程;
(2)将变换后的微分方程满足初始条件 y(0)=0,的解
解:(1)由反函数导数公式可知
,
代入原方程得
(*)
设方程(*)的特解为y*=A+B,代入方程(*)求得A=0,B=-,故y*=-,从而的通解是
y(x)=C1ex+C2e-x-
由y(0)=0,,得C1=1,C2=-1,故所求初值问题的解为
y(x)=ex-e-x-
补 充 习 题
1.填空题:
⑴(2005,III,IV)微分方程满足初始条件y⑴=2的特解为_
⑵(2005,I,II)微分方程满足初始条件的特解为_
⑶(1996,III)微分方程的通解为_
⑷(1995,III)微分方程的通解为_
⑸(1996,I,II)微分方程ex通解为_
⑹(1999,I,II)e2x的通解为_
⑺(2004,I)欧拉方程的通解为_
⑻(2007,I,II)二阶常系数非齐次线性微分方程的通解为_
⑼(2007,III,IV)微分方程满足的特解为_
⑽(2000,I)微分方程的通解为_
⑾(2009,I)若二阶常系数线性齐次微分方程的通解为,则非齐次方程满足条件的解为y=_
⑿(2011,I,II)微分方程满足条件的解为y=_
⒀(2012,II)微分方程满足条件的解为_
2.选择题:(在每小题给出的四个选项中,只有一个是符合题目要求的,把所选项前的字母填在题后的括号内)
(1)(2013,II)已知是微分方程的解,则的表达式为
(A) (B) (C) (D) 【 】
(2)(2011,II)微分方程的特解形式为
(A) (B)
(C)x (D) 【 】
3.(1992,III)求微分方程的通解
4.(1991,IV)求微分方程满足条件的特解
5.(1993,III)求微分方程满足初始条件的特解
6.(1999,II)求初值问题 的解
7.(1996,IV)求微分方程的通解
8.(1990,II)求微分方程满足条件的特解
9.(2003,III)设,其中函数在内满足以下条件:
(1)求F(x)所满足的一阶微分方程;
(2)求出F(x)的表达式。
10.(1998,II)设是一向上凸的连续曲线,其上任意一点(x,y)的曲率为,又此曲线上点(0,1)处的切线方程为y=x+1,求该曲线的方程,并求函数y=y(x)的极值
11.
12.(1)(1996,III)求微分方程的通解
(2)(2000,III)求微分方程满足条件,的特解
13.(1)(1990,I)求微分方程的通解
(2)(1996,I,II)求微分方程的通解
(3)(1996,III)求微分方程的通解
(4)(1994,III)求微分方程的通解,其中常数a>0
14.(1994,IV)设函数满足条件
求广义积分
15.(2005,II)用变量代换化简微分方程,并求其满足的特解
16.(1995,I,II)设曲线L位于第一象限内,L上任一点M处的切线与y轴相交,交点记为A.已知,且过点,求L的方程
17.(2003,IV)设y=f(x)是第一象限内连接点A(0,1),B(1,0)的一段连续曲线,M(x,y)为该曲线上任意一点,点C为M在x轴上的投影,O为坐标原点.若梯形OCMA的面积与曲边三角形CBM的面积之和为,求f(x)的表达式
18.(1995,III)设单位质点在水平面内作直线运动,初速度.已知阻力与速度成正比(比例系数为1),问t为多少时质点的速度为?并求此时刻该质点所经过的路程
19.(1997,I)在某一个人群中推广新技术是通过其中已掌握新技术的人进行的,设该人群的总人数为N,在t=0时刻已掌握新技术的人数为,在任意时刻t已掌握新技术的人数为x(t)(将x(t)视为可微变量),其变化律与已掌握新技术人数和未掌握新技术人数之积成正比,比例系数k>0,求x(t)
20.(1997,II)设函数f(x)在闭区间[0,1]上连续,在开区间(0,1)内大于零,并且满足方程(a为常数),又曲线y=f(x)与x=1,y=0所围的图形S的面积为2,求函数y=f(x),并问a为何值时,图形S绕x轴旋转一周所得的旋转体的体积最小
21.(1997,II)设曲线L的极坐标方程为,为L上任一点,为L上一定点,若极径与曲线所围成的曲边扇形面积等于L上两点间弧长值的一半,求曲线L的方程
22.(1993,IV)假设
(1)函数满足条件
(2)平行于y轴的动直线MN与曲线y=f(x)和分别交于
(3)曲线y=f(x),直线MN与x轴所围封闭图形的面积S恒等于线段的长度,求函数y=f(x)的表达式
23.(2002,II)求微分方程的一个解y=y(x),使得由曲线y=y(x)与直线x=1,x=2以及x轴所围成的平面图形绕x轴的旋转体体积最小
24.(2001,II)设L是一条平面曲线,其上任意一点P(x,y)(x>0)到坐标原点的距离恒等于该点处的切线在y轴上的截距,且L经过点
(1)试求曲线L的方程;
(2)求位于第一象限部分的一条切线,使该切线与L以及两坐标所围图形的面积最小
25.(2003,II)设位于第一象限的曲线y=f(x)过点,其上任一点P(x,y)处的法线与y轴的交点为Q,且线段PQ被x轴平分
(1)求曲线y=f(x)的方程
(2)已知曲线上的弧长为,试用表示曲线的弧长s
26.(2007,IV)设函数f(x)具有连续的一阶导数,且满足,求f(x)的表达式
27.(2012,I,II,III)已知f(x)满足方程
(1)求f(x)的表达式
(2)求曲线的拐点
补充习题答案
1.(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13)
2.(1)A (2)C (3)
27.