ODE

一阶线性微分方程

01 认形式

先判断是否为一阶线性方程

标准形式
$y'+P(x)y=Q(x)$
未知函数只允许出现 $y$ 与 $y'$ 的一次项;不出现 $y^2$、$yy'$、$\sin y$、$y\ln y$。

$y'+2xy=e^x$
整理后是
$xy'+2y=x^2$
不是
$y'=xy^2$
若 $y'$ 前面有系数,必须先除以该系数,化成 $y'+P(x)y=Q(x)$。
02 标准形式

齐次与非齐次

先化标准形式
$a(x)y'+b(x)y=c(x)\quad\Rightarrow\quad y'+\dfrac{b(x)}{a(x)}y=\dfrac{c(x)}{a(x)}$
先把 $y'$ 前面的系数除掉,再往下判断。
齐次
$Q(x)=0$
$y'+P(x)y=0$
非齐次
$Q(x)\ne0$
$y'+P(x)y=Q(x)$
本节讲解按两步进行:先化为标准形式,再判断 $Q(x)$ 是否为 $0$。
02A 过桥

先化为标准形式,再判断方程类型

例 1
$xy'+2y=x$
先化:$y'+\dfrac2x y=1$
因为 $Q(x)=1\ne0$,所以是非齐次。
例 2
$y'-3y=0$
已经是标准形式
因为 $Q(x)=0$,所以是齐次。
常见错误是还没有化为标准形式,就直接套用公式。
03 通解公式

判定类型后,再选用相应公式

齐次通解
$y'+P(x)y=0\quad\Rightarrow\quad y=Ce^{-\int P(x)\,dx}$
当 $Q(x)=0$ 时,使用这一公式。
非齐次通解
$y=e^{-\int P(x)\,dx}\left[\int Q(x)e^{\int P(x)\,dx}\,dx+C\right]$
当 $Q(x)\ne0$ 时,使用这一公式。
初值题先求通解,再代入 $x=x_0,\ y=y_0$,确定常数 $C$。
04 快判

化为标准形式后再判断

1
$y'+3xy=0$
是,一阶线性齐次。
2
$xy'+2y=x$
是,标准形式为 $y'+\dfrac2x y=1$。
3
$y'=xy^2$
不是,含 $y^2$。
4
$y'+\sin x\,y=e^x$
是,$P(x)=\sin x$,$Q(x)=e^x$。
5
$y'=x+y$
是,写成 $y'-y=x$。
6
$y'+y\ln y=x$
不是,含 $y\ln y$,不是关于 $y$ 的一次项。
05 例题

例 1

题目
求 $y'+3x^2y=0$ 的通解。
06 答案

例 1 规范解答

规范解答

$P(x)=3x^2$。

套齐次公式:$y=Ce^{-\int3x^2dx}$。

$\int3x^2dx=x^3$。

通解:$y=Ce^{-x^3}$。
07 例题

例 2

题目
求 $xy'+2y=x^2$ 的通解。
08 答案

例 2 规范解答

规范解答

标准形式:$y'+\dfrac2x y=x$。

$P(x)=\dfrac2x$,$Q(x)=x$。

$e^{-\int Pdx}=e^{-2\ln|x|}=x^{-2}$。

$\int Qe^{\int Pdx}dx=\int x\cdot x^2dx=\int x^3dx=\dfrac{x^4}{4}$。

通解:$y=x^{-2}\left(\dfrac{x^4}{4}+C\right)=\dfrac{x^2}{4}+\dfrac{C}{x^2}$。
09 例题

例 3

题目
求 $y'+2y=2x$ 的通解。
10 答案

例 3 规范解答

规范解答

$P(x)=2$,$Q(x)=2x$。

$e^{-\int Pdx}=e^{-2x}$。

$\int Qe^{\int Pdx}dx=\int2xe^{2x}dx=e^{2x}\left(x-\dfrac12\right)$。

通解:$y=e^{-2x}\left[e^{2x}\left(x-\dfrac12\right)+C\right]=x-\dfrac12+Ce^{-2x}$。
11 例题

例 4

题目
求 $y'-\dfrac{2}{x}y=x^2$ 的通解。
12 答案

例 4 规范解答

规范解答

$P(x)=-\dfrac2x$,$Q(x)=x^2$。

$e^{-\int Pdx}=e^{2\ln|x|}=x^2$。

$e^{\int Pdx}=x^{-2}$,所以 $\int Qe^{\int Pdx}dx=\int x^2\cdot x^{-2}dx=x$。

通解:$y=x^2(x+C)=x^3+Cx^2$。
13 例题

例 5

题目
求 $xy'+y=x^2$ 的通解。
14 答案

例 5 规范解答

规范解答

标准形式:$y'+\dfrac1x y=x$。

$P(x)=\dfrac1x$,$Q(x)=x$。

$e^{-\int Pdx}=\dfrac1x$,$e^{\int Pdx}=x$。

$\int Qe^{\int Pdx}dx=\int x^2dx=\dfrac{x^3}{3}$。

通解:$y=\dfrac1x\left(\dfrac{x^3}{3}+C\right)=\dfrac{x^2}{3}+\dfrac{C}{x}$。
15 例题

例 6

题目
求 $y'+y=e^{-x}$,且 $y(0)=1$ 的特解。
16 答案

例 6 规范解答

规范解答

$P(x)=1$,$Q(x)=e^{-x}$。

$e^{-\int Pdx}=e^{-x}$。

$\int Qe^{\int Pdx}dx=\int1dx=x$。

通解 $y=e^{-x}(x+C)$。

代入 $y(0)=1$,得 $C=1$。

特解:$y=(x+1)e^{-x}$。
17 例题

例 7

题目
求 $y'+2xy=2xe^{-x^2}$ 的通解。
18 答案

例 7 规范解答

规范解答

$P(x)=2x$,$Q(x)=2xe^{-x^2}$。

$e^{-\int Pdx}=e^{-x^2}$,$e^{\int Pdx}=e^{x^2}$。

$\int Qe^{\int Pdx}dx=\int2x dx=x^2$。

通解:$y=e^{-x^2}(x^2+C)$。
19 例题

例 8

题目
求 $y'+\dfrac{e^x}{1+e^x}y=1$ 的通解。
20 答案

例 8 规范解答

规范解答

$P(x)=\dfrac{e^x}{1+e^x}$,$Q(x)=1$。

$\int Pdx=\ln(1+e^x)$,所以 $e^{-\int Pdx}=\dfrac1{1+e^x}$。

$\int Qe^{\int Pdx}dx=\int(1+e^x)dx=x+e^x$。

通解:$y=\dfrac{x+e^x+C}{1+e^x}$。
21 练习 A

课堂练习 A:写标准形式

1
$xy'+3y=x^2$
$y'+\dfrac3x y=x$。
2
$(1+x)y'-y=x$
$y'-\dfrac1{1+x}y=\dfrac{x}{1+x}$。
3
$2y'+xy=e^x$
$y'+\dfrac{x}{2}y=\dfrac{e^x}{2}$。
4
$x^2y'+xy=1$
$y'+\dfrac1x y=\dfrac1{x^2}$。
5
$\cos x\,y'+\sin x\,y=1$
$y'+\tan x\,y=\sec x$。
6
$e^x y'+e^x y=x$
$y'+y=xe^{-x}$。
23 练习 B

课堂练习 B:先算 $\int P(x)dx$

1
$P(x)=2$
$\int Pdx=2x$。
2
$P(x)=-\dfrac1x$
$\int Pdx=-\ln|x|$。
3
$P(x)=2x$
$\int Pdx=x^2$。
4
$P(x)=-\tan x$
$\int Pdx=\ln|\cos x|$。
5
$P(x)=\dfrac{2x}{1+x^2}$
$\int Pdx=\ln(1+x^2)$。
6
$P(x)=\dfrac{e^x}{1+e^x}$
$\int Pdx=\ln(1+e^x)$。
25 练习 C

课堂练习 C:齐次方程套公式

1
$y'+4y=0$
$y=Ce^{-4x}$。
2
$y'-\dfrac3x y=0$
$y=Cx^3$。
3
$y'+2xy=0$
$y=Ce^{-x^2}$。
4
$y'+\cos x\,y=0$
$y=Ce^{-\sin x}$。
5
$xy'+2y=0$
$y=\dfrac{C}{x^2}$。
6
$(1+x^2)y'-2xy=0$
$y=C(1+x^2)$。
27 练习 D

课堂练习 D:非齐次方程套公式

1
$y'+y=e^x$
$y=\dfrac12e^x+Ce^{-x}$。
2
$y'-y=e^{2x}$
$y=e^{2x}+Ce^x$。
3
$y'+2y=1$
$y=\dfrac12+Ce^{-2x}$。
4
$y'+\dfrac1x y=x$
$y=\dfrac{x^2}{3}+\dfrac{C}{x}$。
5
$y'+2xy=2x$
$y=1+Ce^{-x^2}$。
6
$y'-y\tan x=\sec x$
$y=(x+C)\sec x$。
29 练习 E

课堂练习 E:初值问题

1
$y'+y=e^{-x},\ y(0)=1$
$y=(x+1)e^{-x}$。
2
$y'+3y=e^{-2x},\ y(0)=0$
$y=e^{-2x}-e^{-3x}$。
3
$y'-y\tan x=\sec x,\ y(0)=0$
$y=x\sec x$。
4
$y'+2xy=2x,\ y(0)=2$
$y=1+e^{-x^2}$。
5
$xy'+y=x^2,\ y(1)=0$
$y=\dfrac{x^3-1}{3x}$。
6
$y'+2y=2x,\ y(0)=0$
$y=x-\dfrac12+\dfrac12e^{-2x}$。
31 练习 F

课堂练习 F:混合判断后求解

1
$y'=xy$
可分离变量,通解 $y=Ce^{x^2/2}$。
2
$y'=x+y$
一阶线性,通解 $y=Ce^x-x-1$。
3
$y'=\dfrac{x+y}{x-y}$
齐次型,$\arctan\dfrac{y}{x}-\dfrac12\ln(x^2+y^2)=C$。
4
$y'+xy=x$
一阶线性,通解 $y=1+Ce^{-x^2/2}$。
33 总结

本节重点:判型与公式应用

标准形式
$y'+P(x)y=Q(x)$
齐次公式
$y=Ce^{-\int P(x)dx}$
非齐次公式
$y=e^{-\int P(x)dx}\left[\int Q(x)e^{\int P(x)dx}dx+C\right]$
做题顺序:判型、标准化、代公式、化简;有初值时最后代入求 $C$。