ODE
高等数学 · 常微分方程第 2 讲

可分离变量方程
及齐次型方程

本节重点:掌握可分离变量方程的识别、分离、积分与通解整理;齐次型作为“化为可分离变量”的应用处理。
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05 可分离

可分离变量方程的基本思想

思想说明
若方程中 $x$ 与 $y$ 以乘积结构出现,就有可能把变量分置两端。分离变量的目的,是把原来的二元关系转化为两个一元积分。
标准形式
$\dfrac{dy}{dx}=A(x)B(y)$
$\dfrac{dy}{B(y)}=A(x)\,dx$
注意
“含有 $x$ 和 $y$”并不等于“可以分离”。只有能够整理为 $x$ 的函数与 $y$ 的函数相乘时,才属于可分离变量方程。
06 形式

可分离变量的三种常见呈现形式

导数形式
$y'=A(x)B(y)$
最标准,直接移项。
微分形式
$P(x)Q(y)dx+R(x)S(y)dy=0$
通过移项和除法分离。
隐含形式
$M(x)y' = N(x)H(y)$
先把 $y'$ 单独整理出来。
共同目标
含 $y$ 的表达式与 $dy$ 同侧;含 $x$ 的表达式与 $dx$ 同侧。
07 判断

判断可分离变量:乘积结构与和式结构的区别

可以分离
$y'=x(1+y^2)$
右端是 $x$ 与 $1+y^2$ 的乘积。
不能直接分离
$y'=x+y^2$
右端是 $x$ 与 $y^2$ 的和,不具备乘积结构。
可以分离
$dy=2x(1+y^2)dx$
可写为 $\dfrac{dy}{1+y^2}=2x\,dx$。
整理后可以分离
$y'=xy+x$
先因式分解为 $x(y+1)$,再分离变量。
08 模板

可分离变量方程四步法

四步法

整理:将方程整理为 $y'=A(x)B(y)$。

分离:写成 $\dfrac{dy}{B(y)}=A(x)dx$。

积分:两边同时求不定积分。

整理:合并任意常数,必要时检查特殊解与定义区间。

08A 模板

四步法落到卷面上,通常就写成这样

计算模板
$\dfrac{dy}{dx}=A(x)B(y)$
$\int\dfrac{dy}{B(y)}=\int A(x)\,dx+C$
提醒
真正容易出错的,不是积分,而是前面两步:能不能认出来、能不能分对边。
09 例题

例 1:最基本的可分离变量方程

题目
求 $\dfrac{dy}{dx}=xy$ 的通解。
方法判断
右端是 $x$ 与 $y$ 的乘积,属于可分离变量方程。
09A 板书

例 1:最基本的可分离变量方程

板书演示
按“分离 → 积分 → 整理常数”的顺序书写

由 $\dfrac{dy}{dx}=xy$,当 $y\neq 0$ 时,可分离为 $\dfrac{dy}{y}=x\,dx$。

注意:这里除以了 $y$,因此必须先说明 $y\neq 0$,零解最后单独补回。

两边积分:$\displaystyle \int \frac{dy}{y}=\int x\,dx$。

得到 $\ln|y|=\dfrac{x^2}{2}+C_1$。

两边取指数:$|y|=e^{C_1}e^{x^2/2}$。

将 $\pm e^{C_1}$ 合并为任意常数 $C$,于是 $y=Ce^{x^2/2}$。

通解:$y=Ce^{x^2/2}$。其中 $C=0$ 时包含特殊解 $y=0$。
10 例题

例 2:微分形式与常数合并

题目
求微分方程 $dy=2xy\,dx$ 的通解。
关键点
本题与上一题本质相同,只是写成了微分形式。
10A 板书

例 2:微分形式与常数合并

板书演示

将含 $y$ 的项与 $dy$ 放在一边:$\dfrac{dy}{y}=2x\,dx\quad (y\neq 0)$。

注意:只要出现“除以 $y$”,就要想到检验 $y=0$ 是否也是解。

两边积分,得 $\ln|y|=x^2+C_1$。

取指数,得 $|y|=e^{C_1}e^{x^2}$。

把符号与正常数一起并入常数,记为 $C$,于是 $y=Ce^{x^2}$。

通解:$y=Ce^{x^2}$,其中 $C=0$ 包含特殊解 $y=0$。
11 例题

例 3:通过因式分解获得可分离形式

题目
求 $\dfrac{dy}{dx}=1+x+y^2+xy^2$ 的通解。
判别思路
原式表面上是和式,不能直接分离,应先因式分解。
11A 板书

例 3:通过因式分解获得可分离形式

板书演示

先分组:$1+x+y^2+xy^2=(1+x)+y^2(1+x)=(1+x)(1+y^2)$。

注意:“和式”不一定不能做,关键看能否通过整理变成乘积结构。

于是原方程化为 $\dfrac{dy}{dx}=(1+x)(1+y^2)$。

分离变量:$\dfrac{dy}{1+y^2}=(1+x)dx$。

两边积分,得 $\arctan y=x+\dfrac{x^2}{2}+C$。

两边取正切,得到 $y=\tan\!\left(x+\dfrac{x^2}{2}+C\right)$。

通解:$y=\tan\!\left(x+\dfrac{x^2}{2}+C\right)$。
12 例题

例 4:幂函数型分离与特殊解

题目
求 $\dfrac{dy}{dx}=2xy^2$ 的通解。
方法判断
右端是 $2x$ 与 $y^2$ 的乘积,因此可以分离变量。
12A 板书

例 4:幂函数型分离与特殊解

板书演示

若 $y\neq 0$,则 $y^{-2}dy=2x\,dx$。

注意:因为分离时除以了 $y^2$,所以必须单独检验 $y=0$。

两边积分:$\displaystyle \int y^{-2}dy=\int 2x\,dx$。

得到 $-\dfrac{1}{y}=x^2+C_1$。

重新记常数,化为 $\dfrac{1}{y}=C-x^2$。

所以非零解为 $y=\dfrac{1}{C-x^2}$。

通解写成:$y=\dfrac{1}{C-x^2}$(非零解),此外 $y=0$ 也是解。
13 例题

例 5:微分形式中的变量分离

题目
求 $x(y^2-1)dx+y(x^2-1)dy=0$ 的通解。
关键变形
先把含 $dy$ 的项放左边,含 $dx$ 的项放右边,再做除法。
13A 板书

例 5:微分形式中的变量分离

板书演示

移项得 $y(x^2-1)dy=-x(y^2-1)dx$。

两边分别除以 $(y^2-1)(x^2-1)$,得 $\dfrac{y}{y^2-1}dy=-\dfrac{x}{x^2-1}dx$。

注意:这里不必立即展开,看到“导数在分母、原式在分子”的结构时,应想到对数积分。

两边积分:$\dfrac12\ln|y^2-1|=-\dfrac12\ln|x^2-1|+C$。

同乘 $2$ 并整理:$\ln|y^2-1|+\ln|x^2-1|=C_1$。

指数化,得 $(x^2-1)(y^2-1)=C$。

通解:$(x^2-1)(y^2-1)=C$。
14 例题

例 6:含对数的可分离变量方程

题目
求 $x\ln x\cdot y'-y=0$ 的通解。
先化成标准形式
先把 $y'$ 单独写出来,再判断是否可分离。
14A 板书

例 6:含对数的可分离变量方程

板书演示

原方程化为 $x\ln x\cdot y'=y$,所以 $y'=\dfrac{y}{x\ln x}$。

分离变量:$\dfrac{dy}{y}=\dfrac{dx}{x\ln x}$。

注意:$\ln x$ 出现后,要立即说明讨论区间:$x>0$,且 $x\neq 1$。

两边积分,得 $\ln|y|=\ln|\ln x|+C_1$。

合并常数,得 $y=C\ln x$。

通解:$y=C\ln x$,应在满足 $x>0$ 且 $x\neq 1$ 的区间上讨论。
15 例题

例 7:先化简系数再积分

题目
求 $xydx+(x+2)dy=0$ 的通解。
关键点
分离之后,不要急于直接积分,先把右端化简。
15A 板书

例 7:先化简系数再积分

板书演示

移项并分离:$(x+2)dy=-xy\,dx\Rightarrow \dfrac{dy}{y}=-\dfrac{x}{x+2}dx$。

先化简分式:$\dfrac{x}{x+2}=1-\dfrac{2}{x+2}$。

注意:这样处理以后,右端就变成“一个容易积分的和式”。

因此 $\ln|y|=\int\left(-1+\dfrac{2}{x+2}\right)dx$。

积分得 $\ln|y|=-x+2\ln|x+2|+C_1$。

指数化并整理常数,得 $y=C(x+2)^2e^{-x}$。

通解:$y=C(x+2)^2e^{-x}$。
16 小结

可分离变量方程的计算重点

识别
判断是否可整理为 $A(x)B(y)$。
分离
含 $y$ 的因子配 $dy$,含 $x$ 的因子配 $dx$。
积分
分别进行一元不定积分。
检查
除以含 $y$ 的式子时,检查是否遗漏特殊解。
核心提醒
可分离变量方程的难点通常不在积分,而在于前两步:能否识别乘积结构,以及能否把方程正确整理为变量分置形式。
17 判断练习

可分离变量判断练习

先判定类型,再决定方法
1. $y'=3x^2y$
2. $y'=e^x(1+y)$
3. $dy=x(1-y^2)dx$
4. $y'=xy+x$
5. $y'=\dfrac{x}{1+y^2}$
6. $y'=\dfrac{x^2+y^2}{xy}$
17A 判断

可分离变量判断练习答案

答案

1、2、3、5 可直接分离。

4 需先因式分解为 $y'=x(y+1)$,再分离。

6 不是可分离变量方程,但可化为只含 $y/x$ 的形式,属于齐次型。

18 练习

课堂练习 A:可分离变量基础题

题目
1. 求 $y'=4xy$ 的通解。
2. 求 $dy=x(1+y^2)dx$ 的通解。
3. 求 $y'=\dfrac{x}{y}$ 的通解。
4. 求 $y'=e^x y$ 的通解。
答案
1. $y=Ce^{2x^2}$
2. $\arctan y=\dfrac{x^2}{2}+C$
3. $y^2=x^2+C$
4. $y=Ce^{e^x}$
19 练习

课堂练习 B:可分离变量综合题

题目
1. 求 $y'=(x+1)(y-2)$ 的通解。
2. 求 $y'=x(y^2-1)$ 的通解。
3. 求 $xydx+(x+2)dy=0$ 的通解。
4. 求 $x(y^2-1)dx+y(x^2-1)dy=0$ 的通解。
提示与答案

1. $\ln|y-2|=\dfrac{x^2}{2}+x+C$。

2. $\dfrac12\ln\left|\dfrac{y-1}{y+1}\right|=\dfrac{x^2}{2}+C$,并注意常值解 $y=\pm1$。

3. $y=C(x+2)^2e^{-x}$。

4. $(x^2-1)(y^2-1)=C$。

20 易错

可分离变量方程的三个常见错误

错误 1
把和式误认为可分离
$x+y$ 不能拆成 $x$ 的函数与 $y$ 的函数的乘积。
错误 2
除法导致漏解
除以 $y$、$y^2$、$y^2-1$ 时,应检查被除式为零是否给出解。
错误 3
忽略定义区间
出现 $\ln x$、$1/(x+2)$、$1/y$ 等时,应在相应区间内讨论。
规范习惯

先说明适用区间与非零条件,再通过常数合并尽量把特殊解纳入通解。

例如 $y'=x(y^2-1)$ 若除以 $y^2-1$,最后要补回常值解 $y=\pm1$。

21 过桥

齐次型方程的处理思路

已有方法
$g(y)dy=f(x)dx$
这是前面已经掌握的可分离变量形式。
直接处理不便
$y'=1+\dfrac yx$
右端没有直接拆成 $x$ 的函数乘 $y$ 的函数。
换元以后
$u=\dfrac yx$
把反复出现的 $\dfrac yx$ 作为新的未知量,再化为可分离变量方程。
基本思路
齐次型方程:先换元,再化为可分离变量方程
22 识别

齐次型的识别标准

齐次型
$y'=1+\dfrac yx$
令 $F(u)=1+u$。
齐次型
$y'=\dfrac{x^2+y^2}{xy}$
可写成 $\dfrac yx+\dfrac1{y/x}$。
非齐次型
$y'=x(1+y)$
可分离,但右端不能只用 $y/x$ 表示。
判断依据
判断时不要只看式中是否同时出现 $x,y$。只要右端能改写成只含 $\dfrac yx$ 的式子,就可按齐次型处理。
23 动机

为什么令 $u=\dfrac yx$?先看一个基本说明

代换依据
若右端反复出现 $\dfrac yx$,就把这个比值记为新的未知函数:
$u=\dfrac yx,\qquad y=ux$
基本推导

$y'=1+\dfrac yx$。

令 $u=\dfrac yx$,则 $y=ux$,并且 $y'=u+x\dfrac{du}{dx}$。

代入得 $u+xu'=1+u$,所以 $xu'=1$。

这时已经回到只含 $u$ 与 $x$ 的方程了。

24 模板

齐次型的求解步骤

固定顺序

先认出右端只含 $\dfrac yx$。

设 $u=\dfrac yx$,于是 $y=ux,\ y'=u+xu'$。

代入并整理,化成关于 $u$ 与 $x$ 的可分离变量方程。

分离、积分,最后把 $u$ 换回 $\dfrac yx$。

特别提醒
最容易掉队的地方,不是积分,而是代换以后没把式子整理干净。中途若除以某个式子,也要继续检查有没有漏掉特殊解。
25 例题

例 8:齐次型经代换后化为可分离变量

题目
求 $\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{x^2+y^2}{xy}$ 的通解。
思路
右端虽然同时出现 $x,y$,但可改写成只含 $y/x$ 的形式,令 $u=\dfrac{y}{x}$ 后即可分离变量。
25A 板书

例 8:齐次型经代换后化为可分离变量

板书演示

令 $u=\dfrac{y}{x}$,则 $y=ux$,并且 $y'=u+xu'$。

原方程右端可写成 $\dfrac{x^2+y^2}{xy}=\dfrac yx+\dfrac xy=u+\dfrac1u$。

代入原方程:$u+xu'=u+\dfrac1u$,所以 $xu'=\dfrac1u$。

分离变量:$u\,du=\dfrac{dx}{x}$。

注意:原方程含有 $xy$ 分母,默认在 $x\neq 0,\ y\neq 0$ 的区间内讨论。

两边积分:$\dfrac{u^2}{2}=\ln|x|+C_1$。

回代得 $\left(\dfrac{y}{x}\right)^2=2\ln|x|+C$。

通解:$y^2=x^2\left(2\ln|x|+C\right)$。
26 例题

例 9:整理后呈现 $F(y/x)$ 形式

题目
求 $x\dfrac{dy}{dx}=x+y$ 的通解。
方法判断
先整理为 $y'=1+\dfrac{y}{x}$,右端只含 $y/x$,因此为齐次型。
26A 板书

例 9:整理后呈现 $F(y/x)$ 形式

板书演示

令 $y=ux$,则 $y'=u+xu'$。

代入得 $u+xu'=1+u$,于是 $xu'=1$。

两边除以 $x$,得 $u'=\dfrac{1}{x}$。

注意:这里默认在 $x\neq 0$ 的区间内讨论,这是齐次型题目的常见前提。

积分得 $u=\ln|x|+C$。

回代 $u=\dfrac{y}{x}$,所以 $\dfrac{y}{x}=\ln|x|+C$。

通解:$y=x(\ln|x|+C)$。
27 练习

课堂练习 C:齐次型方程

题目
1. 求 $y'=\dfrac yx+e^{2y/x}$ 的通解。
2. 求 $y'=\dfrac yx+\left(\dfrac yx\right)^2$ 的通解。
提示

第 1 题令 $u=y/x$,得到 $xu'=e^{2u}$,转化为可分离变量方程。

第 2 题令 $u=y/x$,得到 $xu'=u^2$;若除以 $u^2$,记得补回 $y=0$。

28 拓展

拓展题:不属于本节主线的方程

一般变量代换题
$\dfrac{dy}{dx}=\dfrac1{x+y}$
宜令 $u=x+y$,不属于可分离变量或齐次型主线。
一阶线性方程
$y'=2x+y$
应写为 $y'-y=2x$,后续用一阶线性方程方法求解。
安排建议
这类题可以作为“后续方法预告”,不宜放入本节核心练习,否则会削弱可分离变量方法的训练密度。
29 总结

本节方法归纳

类型 识别标志 核心操作 本节地位
可分离变量 $y'=A(x)B(y)$ $\dfrac{dy}{B(y)}=A(x)dx$,两边积分 重点掌握
齐次型 $y'=F(y/x)$ 令 $u=y/x$,化为可分离变量 可分离变量的应用
其他类型 既不能分离,也非 $F(y/x)$ 留待后续方法处理 不作为本节核心
本节最终要求
重点不是记名称,而是会判断、会分离、会积分、会检查。