12.2 知识点复习

12.2.1 微分方程的基本概念

一般地,n阶(常)微分方程可以表示为(1)F(x,y,y,,y(n))=0 其中x是自变量、y是未知函数。设y在区间I上连续且有直到n阶的导数,若y满足以上方程,则称y是方程在区间I上的一个I称作该解的存在区间。如果关系式f(x,y)=0确定的隐函数y(x)是方程的解,则称f(x,y)=0为方程的隐式解,也可略称作1

若方程的解y包含n个独立的任意常数,则称其为的通解;若方程的解y不包含任意常数,则称其为特解。需要十分注意的是,通解并不一定包含所有的特解。

12.2.2 线性微分方程解的结构

F线性微分方程,若其满足(2)F(x,y1+y2,y1+y2,,y1(n)+y2(n))=F(x,y1,y1,,y1(n))+F(x,y2,y2,,y2(n)) 此时F可表示为(3)y(n)+an1(x)y(n1)++a1(x)y+a0(x)y=f(x) 定义线性微分算子(4)L=dndxn+an1(x)dn1dxn1++a1(x)ddx+a0(x) 则原方程可表示为(5)Ly=f

F齐次线性方程,若f=0;否则称F非齐次线性方程。容易验证以下事实(即线性叠加原理):

(1)

y1,y2是齐次线性方程的解,则y1+y2也是齐次线性方程的解。

(2)

y1是齐次线性方程的解,则cy1也是齐次线性方程的解。

(3)

y1是非齐次线性方程的解,y2是对应的齐次线性方程的解,则y1+y2也是非齐次线性方程的解。

(4)

y1,y2是非齐次线性方程的解,则y1y2是对应的齐次线性方程的解。

因此

(1)

齐次线性方程的解构成一个线性空间V,它的维数为n

(2)

非齐次线性方程的解构成一个仿射空间V+y0,其中y0是非齐次线性方程的一个特解,它的维数为n

(3)

可以将非齐次项分解为f=c1f1+c2f2++ckfk,则Ly=f的通解可以表示为Ly=fk的通解的线性组合。

12.2.3 分离变量法

求解一阶微分方程的核心思路是分离变量法,即形如(6)dydx=f(x)g(y) 的方程,其通解为(7)dyg(y)=f(x)dx+C

除了最基本的形式以外,常见的可分离变量的微分方程有:

(1)

齐次方程:(8)dydx=f(yx)u=yxdudx=f(u)ux

(2)

仅含ax+by+c的方程:(9)dydx=f(ax+by+c)u=ax+by+cdudx=a+bf(u)

(3)

仅含ax+by+ecx+dy+f(其中c2+d20)的方程:(10)dydx=F(ax+by+edx+ey+f)

  • adbc0,则方程组{ax+by+e=0cx+dy+f=0有唯一解(x0,y0),令u=xx0,v=yy0,则方程化为(11)dvdu=F(au+bvcu+dv)=F(a+bvuc+dvu)=g(vu)
  • adbc=0,则必存在kR使得ax+by=k(cx+dy),则方程化为(12)dydx=F(ax+by+ecx+dy+f)=F(k(cx+dy)+ecx+dy+f)=g(cx+dy)

12.2.4 恰当方程与平面向量场的正交曲线族

一阶微分式形式的微分方程(又称为恰当方程)具有形式(13)P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0 其中x,y的地位是对等的,不再强调谁是自变量、谁是因变量。(x,y)坐标平面中的曲线γ:t(x(t),y(t))是它的积分曲线,当且仅当(14)P(x(t),y(t))x(t)+Q(x(t),y(t))y(t)=0

在直角坐标系中,(P,Q)是点(x,y)处的一个向量,这给出了平面上的一个向量场γ是恰当方程的积分曲线,当且仅当它在其所经之处(的切向量)总是与向量场(P,Q)正交。所以恰当方程的通解就是向量场(P,Q)正交曲线族

12.2.5 一阶线性微分方程

对于一阶齐次线性方程(15)y+a(x)y=0 其可以分离变量。设Aa的一个原函数,则其通解为(16)y=CeA(x)=y(x0)exp[x0xa(t)dt] 也可以直接配凑积分因子,即(17)[eA(x)y]=eA(x)[y+a(x)y]=0y=CeA(x)

对于一阶非齐次线性方程(18)y+a(x)y=f(x) 可以采用常数变易法(不是常数变法)。已知齐次方程的通解为y=CeA(x),则原方程的通解可设为(19)y=C(x)eA(x)C(x)eA(x)=f(x)C(x)=f(x)eA(x) 因此(20)y=eA(x)[x0xf(t)eA(t)dt+C]=CeA(x)齐次方程通解+eA(x)x0xf(t)eA(t)dt非齐次方程特解 也可以采用积分因子法,即(21)[eA(x)y]=eA(x)[y+a(x)y]=eA(x)f(x)y=eA(x)[x0xf(t)eA(t)dt+C]

a,f均连续,则对任意(x0,y0),一阶线性微分方程y+a(x)y=f(x)唯一解满足初始条件y(x0)=y0

12.2.6 可线性化的一阶非线性微分方程

形如(22)y+a(x)y=b(x)yν 的方程称为Bernoulli方程,其中ν0,1。令z=y1ν,则(23)z=(1ν)yνy=(1ν)yν(b(x)yνa(x)y)=(1ν)[b(x)a(x)z]

形如(24)y(x)=q0(x)+q1(x)y+q2(x)y2 的方程称为Riccati方程,其中q2(x)0。令v=yq2,则(25)v=yq2+yq2=q0q2+(q1+q2q2)v+v2=:S(x)+R(x)v+v2 再令v=uu,则(26)v=uu+u2u2=uu+v2=S(x)R(x)uu+v2 因此(27)uR(x)u+S(x)u=0

12.2.7 高阶线性方程和线性微分方程组

对于n阶线性方程(28)y(n)+an1(x)y(n1)++a1(x)y+a0(x)y=f(x) 可令y=(y,y,,y(n1)),则有(29)dydx=(010000100001a0a1a2an1)y+(000f) 因此我们只需要关注线性微分方程组(30)dydx=A(x)y+b(x)

我们考虑一个简单的情形:若Ax无关,即常系数线性微分方程组,我们可以“形式地”仿照一阶线性微分方程那样,令(31)[eAxy]=eAx[y+Ay]=eAxb(x)y=eAx[eAxb(x)dx+c] 那么这里的eA是什么呢?仿照实数中的Taylor展开,我们可以定义方阵的矩阵指数(32)expA=eA:=k=0+Akk! 其运算结果仍是一个方阵,且与A对易。可以证明这个级数对所有方阵A都收敛,且有(33)ddxeAx=k=0+ddx(Ax)kk!=k=1+kxk1Akk!=Ak=0+(Ax)kk!=AeAx 因此(34)y=eAxb(x)y=eAx[x0xeAtb(t)dt+c] 确为常系数线性微分方程组的通解。

如何计算矩阵指数呢?我们可以将矩阵A对角化,即A=PΛP1,其中Λ是对角矩阵、其对角元为A的特征值,P是可逆矩阵、其列向量是A的特征向量。则(35)eA=ePΛP1=PeΛP1=P(eλ1eλ2eλn)P1 如果矩阵A不可对角化,我们可以将其分解为A=S+N,其中S可对角化,N是幂零矩阵(即存在kN使得Nk=0)且S,N对易,此时我们有(36)eA=eS+N=eSeN=eSk=0k1Nkk! 一种常见的分解方式利用了Jordan标准形,即A=PJP1,其中J是Jordan块矩阵,其对角元为A的特征值、上三角第一副对角线元素为01,其余元素均为0。设J=Λ+U,其中ΛJ的对角部分,UJ的上三角部分,则(37)S=PΛP1,N=PUP1 容易验证S,N即为满足要求的分解。

12.2.8 一阶微分方程和斜率场

在坐标平面的每个点(x,y)R2处,微分方程y=f(x,y)给出一个斜率值f(x,y),这样形成一个斜率场(也称为方向场)。微分方程的解y=f(x)的函数图像(称为斜率场的积分曲线)所经之处的切线斜率都与斜率场的值相同。

Mathematica中的VectorPlot函数可以绘制斜率场,示例代码如图12.2.1所示。

PIC

图 12.2.1: 绘制斜率场的示例代码

1参考:谢惠民,恽自求,易法槐,钱定边:数学分析习题课讲义(第2版)(上册)