一階微分方程的解法及應用.ppt

一階微分方程的,一、一階微分方程求解,二、解微分方程應用問題,解法及應用,第十二章,一、一階微分方程求解,1.一階標準類型方程求解,關鍵:辨別方程類型,掌握求解步驟,2.一階非標準類型方程求解,變量代換法代換自變量,代換因變量,代換某組合式,三個標準類型:,可分離變量方程,齊次方程,線性方程,1.求下列方程的通解,提示:(1),故為分離變量方程:,通解,方程兩邊同除以x即為齊次方程,令y=ux,化為分,離變量方程.,調換自變量與因變量的地位,用線性方程通解公式求解.,化為,齊次方程.,2.求下列方程的通解:,提示:(1),令u=xy,得,(2)將方程改寫為,(伯努里方程),(分離變量方程),原方程化為,令y=ut,(齊次方程),令t=x1,則,可分離變量方程求解,化方程為,3.,設F(x)f(x)g(x),其中函數f(x),g(x)在(,+),內滿足以下條件:,(1)求F(x)所滿足的一階微分方程;,(2)求出F(x)的表達式.,解:(1),所以F(x)滿足的一階線性非齊次微分方程:,(2)由一階線性微分方程解的公式得,于是,總習題:,(題3只考慮方法及步驟),P353題2求以,為通解的微分方程.,提示:,消去C得,P353題3求下列微分方程的通解:,提示:令u=xy,化成可分離變量方程:,提示:這是一階線性方程,其中,P353題1，2，3(1),(2),(3),(4),(9),(10),提示:可化為關于x的一階線性方程,提示:為伯努里方程,令,提示:可化為貝努里方程,令,原方程化為,即,則,故原方程通解,提示:令,例4.設河邊點O的正對岸為點A,河寬OA=h,一鴨子從點A游向點,二、解微分方程應用問題,利用共性建立微分方程,利用個性確定定解條件.,為平行直線,且鴨子游動方向始終朝著點O,提示:如圖所示建立坐標系.,設時刻t鴨子位于點P(x,y),設鴨子(在靜水中)的游速大小為b,求鴨子游動的軌跡方程.,O,水流速度大小為a,兩岸,則,關鍵問題是正確建立數學模型,要點:,定解條件,由此得微分方程,即,鴨子的實際運動速度為,(齊次方程),練習題:,P354題5,6,P354題5.已知某曲線經過點(1,1),軸上的截距等于切點的橫坐標,求它的方程.,提示:設曲線上的動點為M(x,y),令X=0,得截距,由題意知微分方程為,即,定解條件為,此點處切線方程為,它的切線在縱,P354題6.已知某車間的容積為,的新鮮空氣,問每分鐘應輸入多少才能在30分鐘后使車間空,的含量不超過0.06%?,提示:設每分鐘應輸入,t時刻車間空氣中含,則在,內車間內,兩端除以,并令,與原有空氣很快混合均勻后,以相同的流量排出),得微分方程,(假定輸入的新鮮空氣,輸入,的改變量為,t=30時,解定解問題,因此每分鐘應至少輸入250,新鮮空氣.,初始條件,得,k=?,二階微分方程的,二、微分方程的應用,解法及應用,一、兩類二階微分方程的解法,第十二章,一、兩類二階微分方程的解法,1.可降階微分方程的解法降階法,令,令,逐次積分求解,2.二階線性微分方程的解法,常系數情形,齊次,非齊次,代數法,*歐拉方程,練習題:P353題2（2）;3(6),(7);4(2)。,解答提示,P353題2求以,為通解的微分方程.,提示:由通解式可知特征方程的根為,故特征方程為,因此微分方程為,P353題3求下列微分方程的通解,提示:(6)令,則方程變?yōu)?特征根:,齊次方程通解:,令非齊次方程特解為,代入方程可得,思考,若(7)中非齊次項改為,提示:,原方程通解為,特解設法有何變化?,P354題4(2)求解,提示:令,則方程變?yōu)?積分得,利用,再解,并利用,定常數,思考,若問題改為求解,則求解過程中得,問開方時正負號如何確定?,特征根:,例1.求微分方程,提示:,故通解為,滿足條件,解滿足,處連續(xù)且可微的解.,設特解:,代入方程定A,B,得,得,處的銜接條件可知,解滿足,故所求解為,其通解:,定解問題的解:,例2.,且滿足方程,提示:,則,問題化為解初值問題:,最后求得,思考:設,提示:對積分換元,則有,解初值問題:,答案:,的解.,例3.,設函數,內具有連續(xù)二階導,(1)試將xx(y)所滿足的微分方程,變換為yy(x)所滿足的微分方程;,(2)求變換后的微分方程滿足初始條件,數,且,解:,上式兩端對x求導,得:,(1)由反函數的導數公式知,代入原微分方程得,(2)方程的對應齊次方程的通解為,設的特解為,代入得A0,從而得的通解:,由初始條件,得,故所求初值問題的解為,二、微分方程的應用,1.建立數學模型列微分方程問題,建立微分方程(共性),利用物理規(guī)律,利用幾何關系,確定定解條件(個性),初始條件,邊界條件,可能還要銜接條件,2.解微分方程問題,3.分析解所包含的實際意義,例4.,解:,欲向宇宙發(fā)射一顆人造衛(wèi)星,為使其擺脫地球,引力,初始速度應不小于第二宇宙速度,試計算此速度.,設人造地球衛(wèi)星質量為m,地球質量為M,衛(wèi)星,的質心到地心的距離為h,由牛頓第二定律得:,(G為引力系數),則有初值問題:,又設衛(wèi)星的初速度,代入原方程,得,兩邊積分得,利用初始條件,得,因此,注意到,為使,因為當h=R(在地面上)時,引力=重力,即,代入即得,這說明第二宇宙速度為,求質點的運動規(guī),例5.,上的力F所作的功與經過的時間t成正比(比例系數,提示:,兩邊對s求導得:,牛頓第二定律,為k),開方如何定+?,已知一質量為m的質點作直線運動,作用在質點,例6.一鏈條掛在一釘子上,啟動時一端離釘子8m,另一端離釘子12m,如不計釘子對鏈條所產生的摩擦,力,求鏈條滑下來所需的時間.,解:建立坐標系如圖.,設在時刻t,鏈條較長一段,下垂xm,又設鏈條線密度為常數,此時鏈條受力,由牛頓第二定律,得,348-5,由初始條件得,故定解問題的解為,解得,當x=20m時,(s),微分方程通解:,思考:若摩擦力為鏈條1m長的重量,定解問題的,數學模型是什么?,摩擦力為鏈條1m長的重量時的數學模型為,不考慮摩擦力時的數學模型為,此時鏈條滑下來所需時間為,練習題,從船上向海中沉放某種探測儀器,按探測,要求,需確定儀器的下沉深度y與下沉速度v之間的函,數關系.,設儀器在重力作用下從海平面由靜止開始下沉,在下沉過程中還受到阻力和浮力作用,設儀器質量為m,體積為B,海水比重為,儀器所受阻力與下沉速度成正,比,比例系數為k(k>0),試建立y與v所滿足的微分,方程,并求出函數關系式y(tǒng)=y(v).,提示:建立坐標系如圖.,質量m體積B,由牛頓第二定律,重力,浮力,阻力,注意:,初始條件為,用分離變量法解上述初值問題得,質量m體積B,得,