微分方程公式总结上!

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微分方程公式总结上!

2023-03-30 07:06| 来源: 网络整理| 查看: 265

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1、一阶微分方程:一阶微分方程是一类含自变量x与未知数y(x)及其一阶导函数y'(x)的方程,它可以表示为 F(x,y,y')=0 。

如果可以解出y',可表示为: \frac{dy}{dx}=f(x,y)

2、一阶微分方程的其中一种解法--分离变量法:

形如 \frac{dy}{dx}=M(x)·N(y) :

若N(y)≠0,我们可以化成(分离变量法): \frac{1}{N(y)}dy=M(x)dx

然后两边同时积分: \int\frac{1}{N(y)}dy=\int M(x)dx ,则得结果: F(y)=G(x)+C

3、齐次方程:如果一阶微分方程可以化为如下形式: \frac{dy}{dx}=φ(\frac{y}{x}) ,则称此类方程为齐次方程。

4、齐次方程一般解法:引出新的位置变量函数 u=\frac{y}{x} ,就可以把它化成可以分离变量的方程!

(1)由u=\frac{y}{x}得到 y=ux

(2)两边取x的微分得到 \frac{dy}{dx}=x\frac{du}{dx}+u ,并代入\frac{dy}{dx}=φ(\frac{y}{x})

(3)得到 u+x\frac{du}{dx}=φ(u) 再换一下位置 \frac{du}{φ(u)-u}=\frac{dx}{x}

(4)两边积分,得到 \int \frac{du}{φ(u)-u}=\int \frac{dx}{x}

(5)设 Φ(u) 是 \frac{1}{φ(u)-u} 的一个原函数,则得通解: Φ(u)=ln|x|+C ,再把 u=\frac{y}{x} 代回这个式子,就得到齐次方程的通解。

5、一些可以转化成一阶齐次微分方程的一阶微分方程:

形如 \frac{dy}{dx}=\frac{ax+by+c}{a_{1}x+b_{1}y+c_{1}} ,其中 \frac{a}{a_{1}}≠\frac{b}{b_{1}} (原因是只有这样才可以解出h和k)

当c=c1=0时,方程是齐次的,否则是不齐次的。在非齐次型的情况下,可用以下步骤解:

(1)作代换 x=X+h ; y=Y+k 。

(2)求常数h和k:因为dx=dX;dy=dY。所以方程代换后变成:

\frac{dY}{dX}=\frac{aX+bY+(ah+bk+c)}{a_{1}X+b_{1}Y+(a_{1}h+b_{1}k+c_{1})} ,因为要使得方程是齐次,所以令后面的常数项为0,即 ah+bk+c=0 以及 a_{1}h+b_{1}k+c_{1}=0

联立这两个方程就可以解出h和k。

(3)求 \frac{dY}{dX}=\frac{aX+bY}{a_{1}X+b_{1}Y} 的通解后,把x-h代X,y-k代Y,就得到原方程的通解。

6、一阶线性微分方程的解法:(背公式)

方程: \frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x) 称为一阶线性方程。

其通解公式为: y=e^{-\int P(x)dx}(\int Q(x)e^{P(x)dx}dx+C)

7、伯努利方程:形如 \frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)y^{n}(n≠0,1)

解法步骤:n≠0,1时,上方程可以通过变换 z=y^{1-n} 转化成一阶线性微分方程!

(1)两边同时除以 y^{n} ,得到: y^{-n}\frac{dy}{dx}+P(x)y^{1-n}=Q(x)

(2)令z=y^{1-n},则得到 \frac{dz}{dx}=(1-n)y^{-n}\frac{dy}{dx} 即有 y^{-n}\frac{dy}{dx}=\frac{1}{1-n}\frac{dz}{dx}

(3)把 y^{-n}\frac{dy}{dx}=\frac{1}{1-n}\frac{dz}{dx} 带入方程 y^{-n}\frac{dy}{dx}+P(x)y^{1-n}=Q(x) 则得到

\frac{dz}{dx}+(1-n)P(x)z=(1-n)Q(x) 这是关于z的一阶线性微分方程,再用公式法求出z即可

(4)利用变换 z=y^{1-n} 就可以得到y。

8、全微分方程:如果将一阶微分方程写成 P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0 形式后,如果左端恰好是某个函数 u=u(x,y) 的全微分: du(x,y)=P(x,y)dx+Q(x,y)dy 。

那么我们就把方程P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0(也可写成 du(x,y)=0 )叫做全微分方程。

其中 \frac{∂u}{∂x}=P(x,y) ; \frac{∂u}{∂y}=Q(x,y)

9、全微分方程的充要条件: \frac{∂P}{∂y}=\frac{∂Q}{∂x} ,在区域G内恒成立,当满足此条件时,全微分方程的通解为: u(x,y)≡\int _{x_{0}}^{x}P(x,x_{0})dx+\int _{y_{0}}^{y}P(x,y)dy=C

10、可降阶的高阶微分方程

(1) y^{(n)}=f(x) 型:不断两边积分,积n次就好~

(2) y''=f(x,y') 型:

①作代换y'=p,将p看成未知函数p(x),则 y''=\frac{dy'}{dx}=\frac{dp}{dx}

②把上式代入y''=f(x,y')得到 \frac{dp}{dx}=f(x,p)

③求解\frac{dp}{dx}=f(x,p)得到 p=φ(x,C1) ,由于 p=\frac{dy}{dx} ,即有 \frac{dy}{dx}=φ(x,C1)

④对它积分就可以得到 y=\int φ(x,C1)dx+C_{2}

(3) y''=f(y,y') 型:(此类方程的特征是右边没有x)

①令y'=p;将p看成是y的函数 p=p(y) ,利用复合函数的求导有 y''=\frac{dp}{dx}=\frac{dp}{dy}\frac{dy}{dx}=p\frac{dp}{dy}

②于是方程y''=f(y,y')变为 p\frac{dp}{dy}=f(y,p) ,这是关于y和p的一阶微分方程,如果能求出 p=φ(y,C_{1}) ,即有 \frac{dy}{dx}=φ(y,C_{1})

③分离变量并积分,可以得到原方程的通解: \int \frac{dy}{φ(y,C_{1})}=x+C_{2}



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