ODE

微分方程基本概念

从含导数的关系式进入常微分方程,讲清定义、阶、解、通解、特解与初始条件
01 导学

为什么需要微分方程

讲授要点
有些问题一开始并不知道函数本身长什么样,但能先说清楚“它变化得有多快”。这时就会遇到微分方程。
先知道变化率,再反过来求函数
它描述的重点不是“某个数等于多少”,而是“函数怎样变化”。求解微分方程,就是根据变化规律把这个函数找出来。
01A 场景

实际问题中常先给出变化率

热水变凉我们常先知道降温快慢和当前温度有关,却不知道温度关于时间的公式。
水箱放水水位下降得快还是慢,会随着当前水位变化。
刹车减速速度变化得快不快,往往和当时的速度有关。
这三类问题的共同点是:已知变化率,要求量本身。微分方程正是处理这类问题的重要工具。
02 引例

由切线斜率建立方程

题目
一曲线上任意一点 $(x,y)$ 处的切线斜率等于 $2x$,且该曲线通过点 $(1,2)$,求曲线的方程。
规范解答

设所求曲线为 $y=f(x)$。由导数的几何意义,曲线在点 $(x,y)$ 处的切线斜率就是 $\dfrac{dy}{dx}$。

题意给出切线斜率等于 $2x$,所以未知函数 $y$ 应满足 $\dfrac{dy}{dx}=2x$。又因为曲线过点 $(1,2)$,所以还满足初始条件 $y\big|_{x=1}=2$。

对 $\dfrac{dy}{dx}=2x$ 两边积分,得 $y=x^2+C$。将 $x=1,y=2$ 代入,得 $2=1+C$,所以 $C=1$。

曲线方程为 $y=x^2+1$。
03 概念

微分方程的定义

讲授要点
先依据最直接的标准判断:方程中只要出现未知函数的导数或微分,就属于微分方程。
$\dfrac{dy}{dx}=2x,\quad \dfrac{d^2s}{dt^2}-2\dfrac{ds}{dt}=2s$ 都是微分方程
本节先明确什么是微分方程,再讨论后续的求解问题。
  • $y=x^2+1$ 不是微分方程,因为它不含导数或微分。
  • $dy=(x+y)\,dx$ 是微分方程,因为它含有微分。
  • 本章只讨论一个未知函数的常微分方程。
03A 练习

概念判断

1
$y=x^2+1$ 是微分方程吗?
不是,它没有导数或微分。
2
$dy=(x+y)\,dx$ 是微分方程吗?
是,可写成 $\dfrac{dy}{dx}=x+y$。
3
$x+y=0$ 是微分方程吗?
不是,它不含导数或微分。
4
$\dfrac{d^2s}{dt^2}-2\dfrac{ds}{dt}=2s$ 是微分方程吗?
是,它含有未知函数 $s$ 的导数。
5
$dx+dy=0$ 是微分方程吗?
是,可写成 $\dfrac{dy}{dx}=-1$。
6
$y^2=2xy+x^2$ 是微分方程吗?
不是,它不含导数或微分。
04 概念

微分方程的阶

讲授要点
判断阶数时,先找方程里出现过哪些导数,再看其中阶数最高的那个。导数外面有没有平方、括号或系数,都不改变它本身的阶数。
先找导数,再看最高阶导数
方程
最高阶导数
阶数
$\dfrac{dy}{dx}=2x$
$\dfrac{dy}{dx}$
一阶
$\dfrac{d^2s}{dt^2}-2\dfrac{ds}{dt}=2s$
$\dfrac{d^2s}{dt^2}$
二阶
$4y'''+10y''-12y'+15y=\sin2x$
$y'''$
三阶
04A 练习

阶的判断

1
$\dfrac{dy}{dx}+y=0$ 是几阶?
一阶。
2
$\dfrac{d^2y}{dx^2}+y=x$ 是几阶?
二阶。
3
$4y'''+10y''-12y'+15y=\sin2x$ 是几阶?
三阶。
4
$(y'')^2+x=0$ 是几阶?
二阶。
5
$y'+(y')^3=1$ 是几阶?
一阶。
6
$y^{(4)}-y''+y=0$ 是几阶?
四阶。
05 概念

解、通解与特解

先理解“解”的含义
若把某个函数代入微分方程后,左右能恒等相等,这个函数就是这个方程的解。
对 $y'=2x$,把 $y=x^2+1$ 代入后仍有 $y'=2x$,所以它是解。
通解若解里含有任意常数,例如 $y=x^2+C$,它表示一整族解,就叫通解。
特解若再根据条件确定常数,例如由 $y(1)=2$ 得到 $C=1$,就得到具体解 $y=x^2+1$,这叫特解。
讲解顺序讲解这类题目时,可先验证所给函数是否满足方程,再判断它是否表示一族解,最后结合条件确定具体解。
05A 练习

解、通解与特解判断

1
$y=e^x$ 代入 $y'=y$ 后左右相等吗?它是不是解?
左右相等,所以它是解。
2
$y=Ce^{2x}$ 对 $y'=2y$ 是通解还是特解?
通解,它含一个任意常数。
3
$y=e^{2x}$ 对 $y'=2y$ 是通解还是特解?
特解,它对应 $C=1$。
4
$y=C_1\cos x+C_2\sin x$ 对 $y''+y=0$ 是通解还是特解?
通解,它含两个任意常数。
5
初始条件的作用是什么?
确定通解中的常数,得到特解。
6
若 $y=x^2+C$ 且 $y(0)=3$,得到的是通解还是特解?
特解,结果是 $y=x^2+3$。
06 图像

通解是一族曲线,特解是一条曲线

讲授要点
以 $\dfrac{dy}{dx}=2x$ 为例,通解为 $y=x^2+C$。不同的 $C$ 对应不同的抛物线,因此通解的图形是一族积分曲线。
若给出条件 $y\big|_{x=1}=2$,就确定 $C=1$,得到特解 $y=x^2+1$。
(1,2)y=x²+C
07 方法

利用微分方程解决实际问题的三步

讲授要点
1
建立方程
根据题意把“变化率”和已知条件写成微分方程与定解条件。
2
求通解
求出含任意常数的通解。
3
定特解
利用已知条件确定常数,得到特解。
07A 练习

应用判断

1
通解 $y=x^2+C$ 中,不同 $C$ 对应一条曲线还是一族曲线?
一族曲线。
2
若再给条件 $y(1)=2$,得到的是一族曲线还是一条曲线?
一条确定曲线。
3
应用题里已知变化率和条件,第一步做什么?
先建立微分方程和条件。
4
求出通解后,第二步通常做什么?
利用条件确定常数,得到特解。
5
若已知曲线过原点,应该把它当作什么来用?
当作初始条件或定解条件来用。
6
若 $y=x^2+C$ 且 $y(0)=3$,特解是什么?
$y=x^2+3$。
08 练习

课堂练习 1

题目
指出 $m\dfrac{dv}{dt}=mg-kv$ 是否为微分方程,并指出阶数。
规范解答

把 $v$ 看作关于 $t$ 的未知函数,即 $v=v(t)$。

方程中出现了未知函数的导数 $\dfrac{dv}{dt}$,因此它是微分方程。

最高阶导数为一阶导数。

这是一阶微分方程。
09 练习

课堂练习 2

题目
指出 $\dfrac{d^4x}{dt^4}+2\dfrac{d^2x}{dt^2}+x=0$ 是否为微分方程,并指出阶数。
规范解答

把 $x$ 看作关于 $t$ 的未知函数,即 $x=x(t)$。

方程中出现 $\dfrac{d^4x}{dt^4}$ 与 $\dfrac{d^2x}{dt^2}$,含有未知函数的导数,所以是微分方程。

最高阶导数为 $\dfrac{d^4x}{dt^4}$。

这是四阶微分方程。
10 练习

课堂练习 3

题目
指出 $dy=\dfrac{y}{x+y^2}\,dx$ 是否为微分方程,并指出阶数。
规范解答

将微分形式改写成导数形式:$\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{y}{x+y^2}$。

方程中含有未知函数 $y$ 的一阶导数 $\dfrac{dy}{dx}$。

没有出现更高阶导数。

这是一阶微分方程。
11 练习

课堂练习 4

题目
指出 $y^2=2xy+x^2$ 是否为微分方程,并指出阶数。
规范解答

该式只含有 $x$ 和 $y$,没有出现 $y'$、$\dfrac{dy}{dx}$ 或 $dy$。

微分方程必须含有未知函数的导数或微分。

它不是微分方程,因此无阶数可言。
12 练习

课堂练习 5

题目
指出 $\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2+\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^3+xy=1+x^2$ 是否为微分方程,并指出阶数。
规范解答

式中出现未知函数的一阶导数 $\dfrac{dy}{dx}$。

虽然导数被平方和立方,但判断阶数只看导数本身的最高阶。

这是一阶微分方程。
13 练习

课堂练习 6

题目
指出 $(y')^2+2xy'-y^2=0$ 是否为微分方程,并指出阶数。
规范解答

方程中含有未知函数 $y$ 的一阶导数 $y'$。

没有出现 $y''$ 或更高阶导数。

这是一阶微分方程。
14 练习

课堂练习 7

题目
验证 $y=Cx^2$、$y=x^2$ 是否为方程 $xy'=2y$ 的解,是通解还是特解。
规范解答

对 $y=Cx^2$ 求导,得 $y'=2Cx$。

代入方程左端:$xy'=x\cdot2Cx=2Cx^2$;右端:$2y=2Cx^2$,左右恒等,因此 $y=Cx^2$ 是解。

该方程是一阶方程,$y=Cx^2$ 含一个任意常数 $C$,所以它是通解。

当 $C=1$ 时得到 $y=x^2$,因此 $y=x^2$ 是通解中的一个具体解。

$y=Cx^2$ 是通解;$y=x^2$ 是特解。
15 练习

课堂练习 8

题目
验证 $y=\sin x$、$y=3\sin x-4\cos x$ 是否为方程 $y''=-y$ 的解,是通解还是特解。
规范解答

若 $y=\sin x$,则 $y''= -\sin x=-y$,所以它是解。

若 $y=3\sin x-4\cos x$,则 $y''=-3\sin x+4\cos x=-(3\sin x-4\cos x)=-y$,所以它也是解。

方程 $y''=-y$ 是二阶方程,通解应含两个任意常数;这两个函数都不含任意常数。

两者都是特解,不是通解。
16 练习

课堂练习 9

题目
验证 $y=e^x$、$y=Ce^{2x}$ 是否为方程 $\dfrac{dy}{dx}=2y$ 的解,是通解还是特解。
规范解答

对 $y=e^x$ 求导,得 $y'=e^x$,而 $2y=2e^x$,二者不恒等,所以 $y=e^x$ 不是解。

对 $y=Ce^{2x}$ 求导,得 $y'=2Ce^{2x}$,而 $2y=2Ce^{2x}$,左右恒等,所以 $y=Ce^{2x}$ 是解。

该方程是一阶方程,$y=Ce^{2x}$ 含一个任意常数。

$y=e^x$ 不是解;$y=Ce^{2x}$ 是通解。
17 练习

课堂练习 10

题目
验证 $y=C_1+C_2e^{-x}+\dfrac12x^2-x$ 是方程 $y''+y'=x$ 的通解。
规范解答

求导得 $y'=-C_2e^{-x}+x-1$。

再求导得 $y''=C_2e^{-x}+1$。

相加得 $y''+y'=C_2e^{-x}+1-C_2e^{-x}+x-1=x$,所以该函数族满足原方程。

原方程为二阶方程,解中含两个相互独立的任意常数 $C_1,C_2$。

该函数族是方程的通解。
18 练习

课堂练习 11

题目
已知 $y=C_1\cos x+C_2\sin x$ 是 $y''+y=0$ 的通解,求满足 $y(0)=2$ 及 $y'(0)=-1$ 的特解。
规范解答

由 $y(0)=C_1=2$,得 $C_1=2$。

求导:$y'=-C_1\sin x+C_2\cos x$。

由 $y'(0)=C_2=-1$,得 $C_2=-1$。

所求特解为 $y=2\cos x-\sin x$。
19 练习

课堂练习 12

题目
一曲线上任意一点的切线斜率都等于该点横坐标的平方,且该曲线通过原点 $(0,0)$,求这条曲线的方程。
规范解答

切线斜率等于导数,由题意得 $y'=x^2$。

曲线通过原点,故初始条件为 $y(0)=0$。

积分得 $y=\dfrac{x^3}{3}+C$。

代入 $x=0,y=0$,得 $C=0$。

曲线方程为 $y=\dfrac{x^3}{3}$。