10.02可分离变量与齐次微分方程
各回各家的两个变量封面场景

可分离变量与齐次微分方程 · 沉浸式数学故事

各回各家的两个变量

发酵罐里,菌量增速与菌量自身成比例。把 y 和 dy 放一边,把 t 和 dt 放另一边,两份积分各自完成后,指数增长便自然出现。

第 10 章 · 常微分方程 · 5 幕故事 · 1 个训练

各回各家的两个变量:菌量越多,单位时间新增的也越多。

发酵罐 · 增殖

菌量越多,单位时间新增的也越多。

设菌量为 y(t),早期资源充足时,增长率近似与当前菌量成正比。

dy/dt=ky先判断变量能否分居等号两侧。
各回各家的两个变量:所有 y 回左边,所有 t 回右边。

变量分家

所有 y 回左边,所有 t 回右边。

在 y≠0 的区间上,将方程改写为 dy/y=kdt。

dy/y=k dt除以 y 时要单独检查被除掉的平衡解 y=0。
各回各家的两个变量:左边只认 y,右边只认 t。

各自积分

左边只认 y,右边只认 t。

两边积分得 ln|y|=kt+C,整理后得到指数形式 y=Ceᵏᵗ。

∫dy/y=∫kdt ⇒ y=Ceᵏᵗ两个积分常数可合并为一个常数。
各回各家的两个变量:若右侧只看 y/x,就把这个比值请成新变量。

齐次入口

若右侧只看 y/x,就把这个比值请成新变量。

对 y′=F(y/x),令 u=y/x,即 y=ux、y′=u+xu′,常能化为可分离方程。

u=y/x,y′=u+x du/dx“齐次”在这里指右侧依赖比值 y/x。
各回各家的两个变量:分离、积分、回代,最后由现场读数定常数。

回到初值

分离、积分、回代,最后由现场读数定常数。

技术员用初始菌量求 C,并检查解的定义域、正负与增长方向。

判型 → 分离/换元 → 积分 → 初值 → 验算解式必须符合实际量不能为负等约束。
各回各家的两个变量训练场景

尾声 · 带着方法进课堂

故事落幕,判断才刚开始。

把这一课的条件、公式与易错点带进最后一次判断。

方程 dy/dt=ky 分离变量后可写成?
再读一遍

互动实验 · 让 x 与 y 各回各家dy/dx = −x/y

把两个变量分开,方程就能各自积分

可分离方程的诀窍,是把含 y 的挪到一边、含 x 的挪到另一边:y dy = −x dx,两边各自积分就得 x²+y²=C——一族同心圆。方程在每一点规定了一个方向(青色小线段),解曲线就是顺着这些方向串起来的圈。拖动初值点,看它穿过方向场、落在属于自己的那条解上。

方向场 + 过初值的解曲线