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)
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:
我們要做的事情還是把這個等式化成函數:
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:
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:
原式化簡為:
合并同類項,可得:
我們說
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)
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:
理解了上面那個問題,我們再來看一個微分方程:
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:
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:
原式可以變形為這樣,
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:
對上面這個公式兩邊同時積分:
把u換成x y,可得:
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:
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