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線性微分方程不同情形下的通解

生活 更新时间:2025-03-29 08:58:39

本文既可作為老少皆宜的休閑文章來看,也可作為本科生速成期末考試的靈丹妙藥(笑)

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)1

龐加萊

我們接着講微分方程,今天的主要内容是換元法,換元法就是用一種變量替換掉原來的變量,從而達到化簡問題的目的。

上一講我們講了微分方程得基礎知識,想必大家已經清楚了求解,通解特解之間的關系。今天我們來看這樣一個問題

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)2

我們要做的事情還是把這個等式化成函數:

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)3

不過這次我并不想讓大家直接去算,我們以dy/dx(y')為高度軸,x和y(f(x))分别為變量建立一個三維坐标系,我想讓大家體會一下微分方程為什麼被稱為微分方程

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)4

z軸的物理意義是導數,x,f(x)軸各自獨立變化

這個圖反映的是導數y’和x,f(x)之間的變化關系,然而y和x之間依然存在其它的内在聯系。它隻能解析一部分信息甚至裡面的很多信息并不存在。

理解了這一點,大家就明白了求解微分方程的必要性,那就是讓事情直觀起來。

我們知道:

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)5

原式化簡為:

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線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)7

合并同類項,可得:

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)8

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我們說

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c為任意常數

就是原方程的通解,它是一簇曲線。

C随便取一個具體的數,叫原方程的特解。

這是一個什麼樣的曲線簇呢?(我隻畫一個特解給大家看看樣子)

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)11

可以說,我們把複雜的多變量函數簡化成了簡單的單變量函數:

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)12

理解了上面那個問題,我們再來看一個微分方程

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)13

你不覺得這個微分方程很有趣嗎?

我們依然以dy/dx(y')為高度軸,x和y(f(x))分别為變量建立一個三維坐标系:

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)14

z軸的物理意義是導數,x,f(x)軸各自獨立變化

這個圖反映的還是導數y’和x,f(x)之間的變化關系,然而y和x之間依然存在其它的内在聯系。它隻能解析一部分信息甚至裡面的很多信息并不存在。

好了,現在我們來計算它的解析解:

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)15

原式可以變形為這樣,

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大家看看,前人是多麼有智慧啊,我們雖然學的來知識,卻學不來智慧:

整理可以得到:

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對上面這個公式兩邊同時積分:

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u換成x y,可得:

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算到這裡,我們似乎難以繼續往下算了,它是隐函數就是說y包含在了x和y的同時變化裡,想把這個等式化成y=f(x)是非常困難的

我們就用軟件看看這個函數長什麼樣子吧:

線性微分方程不同情形下的通解(微分方程的意義)20

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