12.2 知识点复习
12.2.1 微分方程的基本概念
一般地,阶(常)微分方程可以表示为
其中是自变量、是未知函数。设在区间上连续且有直到阶的导数,若满足以上方程,则称是方程在区间上的一个解,称作该解的存在区间。如果关系式确定的隐函数是方程的解,则称为方程的隐式解,也可略称作解。
若方程的解包含个独立的任意常数,则称其为的通解;若方程的解不包含任意常数,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
称为线性微分方程,若其满足
此时可表示为
定义线性微分算子
则原方程可表示为
称为齐次线性方程,若;否则称为非齐次线性方程。容易验证以下事实(即线性叠加原理):
-
(1)
-
若是齐次线性方程的解,则也是齐次线性方程的解。
-
(2)
-
若是齐次线性方程的解,则也是齐次线性方程的解。
-
(3)
-
若是非齐次线性方程的解,是对应的齐次线性方程的解,则也是非齐次线性方程的解。
-
(4)
-
若是非齐次线性方程的解,则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,它的维数为。
-
(2)
-
非齐次线性方程的解构成一个仿射空间,其中是非齐次线性方程的一个特解,它的维数为。
-
(3)
-
可以将非齐次项分解为,则的通解可以表示为的通解的线性组合。
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
的方程,其通解为
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:
-
(2)
-
仅含的方程:
-
(3)
-
仅含(其中)的方程:
- 若,则方程组有唯一解,令,则方程化为
- 若,则必存在使得,则方程化为
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
其中的地位是对等的,不再强调谁是自变量、谁是因变量。坐标平面中的曲线是它的积分曲线,当且仅当
在直角坐标系中,是点处的一个向量,这给出了平面上的一个向量场。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)总是与向量场正交。所以恰当方程的通解就是向量场的正交曲线族。
12.2.5 一阶线性微分方程
对于一阶齐次线性方程
其可以分离变量。设是的一个原函数,则其通解为
也可以直接配凑积分因子,即
对于一阶非齐次线性方程
可以采用常数变易法(不是常数变异法)。已知齐次方程的通解为,则原方程的通解可设为
因此齐次方程通解非齐次方程特解
也可以采用积分因子法,即
若均连续,则对任意,一阶线性微分方程有唯一解满足初始条件。
12.2.6 可线性化的一阶非线性微分方程
形如
的方程称为Bernoulli方程,其中。令,则
形如
的方程称为Riccati方程,其中。令,则
再令,则
因此
12.2.7 高阶线性方程和线性微分方程组
对于阶线性方程
可令,则有
因此我们只需要关注线性微分方程组
我们考虑一个简单的情形:若与无关,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
那么这里的是什么呢?仿照实数中的Taylor展开,我们可以定义方阵的矩阵指数为
其运算结果仍是一个方阵,且与对易。可以证明这个级数对所有方阵都收敛,且有
因此
确为常系数线性微分方程组的通解。
如何计算矩阵指数呢?我们可以将矩阵对角化,即,其中是对角矩阵、其对角元为的特征值,是可逆矩阵、其列向量是的特征向量。则
如果矩阵不可对角化,我们可以将其分解为,其中可对角化,是幂零矩阵(即存在使得)且对易,此时我们有
一种常见的分解方式利用了Jordan标准形,即,其中是Jordan块矩阵,其对角元为的特征值、上三角第一副对角线元素为或,其余元素均为。设,其中为的对角部分,为的上三角部分,则
容易验证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处,微分方程给出一个斜率值,这样形成一个斜率场(也称为方向场)。微分方程的解的函数图像(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。