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微分方程變量分離法簡單例題

生活 更新时间:2024-12-18 23:45:24

常微分方程是微積分學方程中常見的,應用非常廣泛的方程,下面就來讨論常微分方程中最簡單的變量分離微分方程。

設一階微分方程式:

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)1

其中f(x,y)是給定的函數,我們要做的工作是求微分方程的解y=y(x),可是一般不能用初等方法來解出這個微分方程,但是當微分方程的右端f(x,y)取某幾種特殊的類型時,就可用初等積分法求解。

本篇講一個重要的特殊情形

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)2

此時開篇中的微分方程就變成了

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)3

這樣的方程稱之為變量分離的方程。

例如下圖都是變量分離的方程,

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)4

對于變量分離的方程,可用初等積分法求它的解,為了有淺入深的掌握變量分離方程的解法,我們特地分作兩步讨論 。

假設g(y) 是常數,可設g(y) =1

此時微分方程式就變成了

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)5

為了可以對它進行積分運算,我們假設函數h(x)在區間a<x<b上連續,這實際上就是求h(x)原函數問題,因此可以直接對其取不定積分,就得到它的通解

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)6

其中O是一個任意的常數,為了确定通解的任意常數O,需附加初始條件

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)7

這裡y0是任意給定的初始值,為了從通解中找出滿足初始條件的那個解,令x=x0,得到y(x0)=O,從而确定O=y0,從而得到

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)8

假設g(y)不是常數

此時微分方程右端與未知數y有關,因此不能像上述那樣直接取不定積分求解,我們需要克服這個困難,因此假定y=y(x)是開篇中微分方程的一個解,即它滿足

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)9

且設g(y)不等于0,那麼可用分離變量法把上述方程寫成

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)10

這樣一來,自變量x與未知數y互相分離,因此可以對方程取不定積分得

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)11

其中α和β分别是固定的積分下限,而O是任意常數,令

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)12

則這個方程就變成了

微分方程變量分離法簡單例題(最簡單的常微分方程)13

總結上面的讨論,我們得知微分方程的解y=y(x)滿足隐函數方程G(y)=B(x) O

上述就是的常微分方程中最簡單的可分離變量方程的探讨,非常簡單。

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