ODE

常微分方程总复习

把全章知识按概念、方法、题型和应用模型重新收束
01 热身

先通过 4 道题回顾基本题型

1
$y'=xy$
可用可分离变量方法。
2
$y'=1+\dfrac yx$
可按齐次型处理。
3
$y'+2y=e^x$
属于一阶线性方程。
4
$y''-y=0$
应先写出特征方程。
02 方法表

一阶方程的三类基本题型

可分离变量
$g(y)dy=f(x)dx$
将 $x,y$ 分离后积分。
齐次型
$y'=\varphi(y/x)$
令 $y=ux$,化为可分离变量方程。
一阶线性
$y'+p(x)y=Q(x)$
化为标准形式后选用公式。
判别要点
判断时依次考虑:能否直接分离?右端能否写成只含 $\dfrac yx$ 的形式?能否化为 $y'+P(x)y=Q(x)$?
03 方法表

二阶方程先判断是否为常系数齐次

齐次常系数
$y''+py'+qy=0$
写出特征方程。
根型判断
$r^2+pr+q=0$
判断实根、重根、复根。
非齐次
$y''+py'+qy=f(x)$
记住:通解 = 齐次通解 + 一个特解。
解题时应先判断方程阶数,再区分齐次与非齐次,最后选用相应方法。
即时判断

总复习即时判断 1

先判型,再选方法
1
$y'=3x$ 是几阶方程?
一阶。
2
$y'=xy$ 可用什么方法?
可分离变量。
3
$y'=1+\dfrac{y}{x}$ 是齐次型吗?
是,右端可写成只含 $y/x$ 的形式。
4
$y'+2y=e^x$ 是一阶线性吗?
是,标准形式已经给出。
5
$y''-y=0$ 的特征方程是什么?
$r^2-1=0$。
03A 地图

在此基础上回顾本章知识结构

整章知识地图
基本概念微分方程、阶、解、通解、特解、初始条件。
一阶方程可分离变量、齐次型、一阶线性。
二阶方程二阶常系数齐次、非齐次、待定系数法。
应用模型冷却模型、振动模型、人口模型。
完成题型回顾后,再看这张知识图,整章内容会更加清晰。
即时判断

总复习即时判断 2

模型与结果检查
1
冷却模型中,温差为正而温度下降时符号应怎样?
应取负号,如 $\theta'=-k(\theta-T_0)$。
2
人口指数模型的方程通常写成什么?
$N'=rN$。
3
受迫振动方程是齐次还是非齐次?
非齐次,因为右端有外力项。
4
通解中可以含任意常数吗?
可以,而且个数通常等于方程阶数。
5
特解中还应保留任意常数吗?
不应保留,定解条件已经确定常数。
04 应用

冷却模型

题目
环境温度保持 $10^\circ C$,物体初始温度为 $200^\circ C$,由 $200^\circ C$ 冷却到 $100^\circ C$ 需要 40 s。已知冷却速率与物体和介质的温度差成正比,建立温度变化模型,并求物体温度降到 $20^\circ C$ 所需时间。
规范解答

设物体温度为 $\theta(t)$,其中 $t$ 的单位为秒。冷却速率就是 $\theta'(t)$。

冷却速率与温度差 $\theta(t)-10$ 成正比,且温度下降,所以取负号:$\theta'(t)=-k[\theta(t)-10]$,$k>0$。初始条件为 $\theta(0)=200$。

解初值问题 $\theta'=-k(\theta-10)$,得 $\theta(t)=10+190e^{-kt}$。

由 $\theta(40)=100$,得 $100=10+190e^{-40k}$,即 $e^{-40k}=\dfrac9{19}$,所以 $k=\dfrac1{40}\ln\dfrac{19}{9}\approx0.01868$。

令 $\theta(t)=20$,则 $20=10+190e^{-kt}$,即 $e^{-kt}=\dfrac1{19}$,所以 $t=\dfrac{\ln19}{k}\approx158$ 秒。

物体温度降到 $20^\circ C$ 大约需要 158 s,即 2 min 38 s。
05 应用

振动模型

题目
设有一个弹簧,上端固定,下端挂一个质量为 $m$ 的物体。建立描述物体振动的微分方程。
规范解答

取物体的平衡位置为坐标原点,取 $x$ 轴竖直向下,设物体位移为 $x(t)$。

静止平衡时,重力与弹簧弹力大小相等、方向相反。研究振动时,以平衡位置为原点,可以把重力影响合并到平衡位置中。

弹簧恢复力与位移成正比且方向相反,记为 $-cx$。若有阻尼,阻力与速度成正比且方向相反,记为 $-\mu\dfrac{dx}{dt}$。

由牛顿第二定律,$m\dfrac{d^2x}{dt^2}=-cx-\mu\dfrac{dx}{dt}$。

整理并令 $2\delta=\dfrac{\mu}{m}$,$\omega^2=\dfrac{c}{m}$。

自由阻尼振动方程为 $\dfrac{d^2x}{dt^2}+2\delta\dfrac{dx}{dt}+\omega^2x=0$。若再受周期外力,可写为 $\dfrac{d^2x}{dt^2}+2\delta\dfrac{dx}{dt}+\omega^2x=h\sin pt$。
06 应用

人口模型

题目
在人口自然增长过程中,假设净相对增长率为常数 $r$,即单位时间内人口的增长量与当时人口成正比。设人口为 $N(t)$,建立人口随时间变化的数学模型。
规范解答

设时刻 $t$ 的人口为 $N(t)$。在 $t$ 到 $t+\Delta t$ 的时间内,人口增长量近似为 $rN(t)\Delta t$。

写成差分关系:$N(t+\Delta t)-N(t)=rN(t)\Delta t$。

令 $\Delta t\to0$,得到微分方程 $\dfrac{dN}{dt}=rN$。

若 $t=t_0$ 时人口为 $N_0$,则初始条件为 $N(t_0)=N_0$。

分离变量:$\dfrac{dN}{N}=r,dt$。积分并代入初始条件。

人口模型为 $N(t)=N_0e^{r(t-t_0)}$。该模型描述指数增长;资源限制明显时,需要进一步修正。
07 规范

规范解答检查清单

讲授要点
1
先判型
明确是概念判断、可分离变量、齐次型、一阶线性还是二阶常系数。
2
步骤完整
写出分离变量、积分因子、特征方程、设特解形式和初值代入。
3
回到题意
通解含任意常数,特解不含任意常数;应用题最后说明实际含义。