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[栖岸计划][数学四大工具之一-微分方程]-第一章:微分方程的基本概念与初等积分法

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战争机器 更新于2026-3-28 08:51:37

第一章:微分方程的基本概念与初等积分法

1.1 微分方程的基本概念


定义:微分方程是含有未知函数及其导数的方程。
如果未知函数是一元函数,称为常微分方程;如果是多元函数,称为偏微分方程。

阶数:方程中出现的最高阶导数的阶数。

线性与非线性:若未知函数及其各阶导数都是一次项,且无它们的乘积或复合,则为线性微分方程,否则为非线性。

解与通解:

  • 解:代入方程使其成为恒等式的函数。
  • 通解:含有与方程阶数相同个数的独立任意常数的解。
  • 特解:由初始条件确定任意常数后得到的解。

1.2 变量可分离方程


形如
$$ \frac{dy}{dx} = g(x) h(y) $$
的方程称为变量可分离方程。

解法:
分离变量
$$ \frac{dy}{h(y)} = g(x) \, dx $$
两边积分
$$ \int \frac{dy}{h(y)} = \int g(x) \, dx + C $$
得到隐式通解。


1.3 齐次方程


形如
$$ \frac{dy}{dx} = f\left( \frac{y}{x} \right) $$
的方程称为齐次方程(这里指可化为齐次型的,与线性齐次方程不同)。

解法:令 $ u = \frac{y}{x} $,则 $ y = u x $,
$$ \frac{dy}{dx} = u + x \frac{du}{dx} $$
代入得
$$ u + x \frac{du}{dx} = f(u) $$
$$ x \frac{du}{dx} = f(u) - u $$
分离变量积分即可。


1.4 一阶线性微分方程


形如
$$ \frac{dy}{dx} + P(x) y = Q(x) $$
解法(常数变易法):

  1. 解齐次方程 $ \frac{dy}{dx} + P(x) y = 0 $,得
    $$ y_h = C e^{-\int P(x) \, dx} $$

  2. 设非齐次方程的解为 $ y = u(x) e^{-\int P(x) \, dx} $,代入原方程,得
    $$ u'(x) e^{-\int P(x) \, dx} = Q(x) $$
    $$ u'(x) = Q(x) e^{\int P(x) \, dx} $$
    $$ u(x) = \int Q(x) e^{\int P(x) \, dx} \, dx + C $$

  3. 通解
    $$ y = e^{-\int P(x) \, dx} \left( \int Q(x) e^{\int P(x) \, dx} \, dx + C \right) $$


1.5 伯努利方程


形如
$$ \frac{dy}{dx} + P(x) y = Q(x) y^n \quad (n \neq 0, 1) $$
解法:令 $ z = y^{1-n} $,化为线性方程:$$ \frac{dz}{dx} + (1-n) P(x) z = (1-n) Q(x) $$


1.6 恰当方程与积分因子


形如
$$ M(x, y) \, dx + N(x, y) \, dy = 0 $$
若 $ \frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial N}{\partial x} $,则为恰当方程,其通解为
$$ \int_{x_0}^x M(t, y) \, dt + \int_{y_0}^y N(x_0, s) \, ds = C $$
若不恰当,可寻找积分因子 $ \mu(x, y) $ 使其变为恰当方程。


1.7 初等积分法总结


常见类型及解法:

  • 变量可分离:直接分离积分
  • 齐次方程:设 $ u = y/x $
  • 一阶线性:常数变易法
  • 伯努利方程:化为线性
  • 恰当方程:直接求原函数
  • 可降阶的高阶方程(将在后续章节展开)
微分方程
微分方程
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光晖
6月前
平板上是乱码
4条评论
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战争机器
6月前

斯……Markdown板子看不了?

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穹星 回复 战争机器
6月前

我看没问题

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光晖 回复 战争机器
6月前

现在又好了

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战争机器 回复 穹星
6月前

不是……🤔$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$

$\tiny{啊不是你没死啊}$

是我错了吗?

我怎么记得一次通解的负号是在后面呢🤔🤔🤔

1条评论
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战争机器
2天前

我记得是习惯问题吧