12.3 习题课讲解
12.3.1 一阶微分方程
例 12.3.1
画出以下微分方程的斜率场的大致图像,并根据斜率场的特点说明方程的解的特征:
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(1)
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-
(2)
-
-
(3)
-
-
(4)
-
解
利用Mathematica绘制的斜率场如图12.3.1所示。斜率场的特征为:
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(1)
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的斜率场只与有关,故将某条积分曲线沿轴平移后,其仍为积分曲线。
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(2)
-
的斜率场只与有关,故将某条积分曲线沿轴平移后,其仍为积分曲线。
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(3)
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对于的斜率场,注意到,故将某条积分曲线沿原点作伸缩变换后,其仍为积分曲线。
-
(4)
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对于的斜率场,其在以原点为中心的同心圆上保持不变,故将某条积分曲线绕原点旋转后,其仍为积分曲线。
例 12.3.2
求以下微分方程的通解:
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(1)
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(2)
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-
(3)
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-
(4)
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解
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(1)
-
,分离变量得
-
(2)
-
,分离变量得
此即方程的通解。当(或)时(或),所以有可微的反函数。此外,方程还有特解。
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(3)
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,令,则
因此
两边积分可得
-
(4)
-
,令,则
两边积分可得
注
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(1)
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一阶微分方程的解允许是由代数方程表示的曲线,函数叫做微分方程的首次积分,物理上它是一个守恒量。
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(2)
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微分方程具有的对称性(变换下的不变性)意味着它存在某种形式的首次积分,即某种守恒量。
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(3)
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可以利用微分方程的对称性得到求解微分方程的方法。
例 12.3.3
求下列方程的解:
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(1)
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(2)
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(3)
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(4)
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(5)
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-
(6)
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解
这些方程都是可分离变量的方程,故此处仅列出答案。
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(1)
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(2)
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(3)
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(4)
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-
(5)
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-
(6)
-
例 12.3.4
平面直角坐标系中,与轴平行的光线经曲线反射后汇聚于原点。求曲线的方程。
解
曲线的切向量为,法向量为。假设光沿轴负方向入射,则入射光的单位方向向量为,反射光的单位方向向量为
由反射定律可得
令,则
两边积分可得
解得
即为抛物线。
解
该曲线族满足的微分方程为
由此可得该曲线族的正交向量场为,它应当为正交曲线族的切向量场,因此
12.3.2 一阶线性方程
例 12.3.6
记是所有形如的拟多项式组成的线性空间,其中是次数不超过的多项式。证明:
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(1)
-
设,若,则,在中有唯一解。
-
(2)
-
,在中有无穷多解,这些解彼此相差的一个常数倍数。
证明
(1) 记,则
因此是到自身的线性变换,在基
下的表示矩阵为
当时,可逆,从而是到自身的可逆线性变换。
(2) 的矩阵表示为,所以是满射、但不是单射,所以,在中有无穷多解,这些解彼此相差。
例 12.3.7
求下列方程的解:
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(1)
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-
(2)
-
-
(3)
-
解
(1) 齐次方程的通解为。设
由此可得
由此得到非齐次方程的特解。因此非齐次方程的通解为
(2) 齐次方程的通解为。注意到
因此
由此得到非齐次方程的特解。因此非齐次方程的通解为
(3) 齐次方程的通解为。注意到
由此得到非齐次方程的特解。因此非齐次方程的通解为
例 12.3.8
求下列方程的解:
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(1)
-
-
(2)
-
解
(1) 这是Bernoulli方程。令,则
解得
此外,也是方程的解。
(2) 这是Riccati方程的特例。令,则
设,由此解得