积分因子的求法及简单应用[1]

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1、积分因子的求法及简单应用数学科学学院摘要：积分因子是常微分方程中一个很基本但却又非常重要的概念，本文在介绍了恰当微分方程与积分因子的概念以及相关定理的基础上，归纳总结了求解微分方程积分因子的几种方法，并利用积分因子理论证明了初等数学体系中的对数公式与指数公式，提供了一种新的解决中学数学问题的途径，体现了积分因子的简单应用价值。关键词：恰当微分方程；积分因子；对数公式；指数公式1.恰当微分方程的概念及判定1.1恰当微分方程的概念我们可以将一阶方程写成微分形式或把x,y平等看待，写成下面具有对称形式的一阶微分方程⑴这里假设M(x,y)，N(x,y)在某矩形域内是x，y的连续函数，且具有连续的一

2、阶偏导数，如果方程⑴的左端恰好是某个二元函数u(x,y)的全微分.即则称方程⑴为恰当微分方程.1.2恰当微分方程的判定定理1假设函数M(x,y)和N(x,y)在某矩形域内是x，y的连续函数且具有连续的一阶偏导数，则方程⑴9是恰当微分方程的充分必要条件是在此区域内恒有.利用定理1我们就可以判定出一个微分方程是否是恰当微分方程.1.积分因子如果对于方程⑴在某矩形域内，此时方程⑴就称为非恰当微分方程。对于非恰当微分方程，如果存在某个连续可微的函数u(x,y)≠0,使得为恰当微分方程，则称u(x,y)为方程⑴的1个积分因子.注可以证明，只要方程有解存在，则必有积分因子存在，并且不是唯一的.定理2函

3、数u(x,y)是方程⑴的积分因子的充要条件是2.积分因子求法举例2.1观察法对于一些简单的微分方程，用观察法就可以得出积分因子如:⑴有积分因子⑵有积分因子，，，，例1找出微分方程的一个积分因子.解将原方程各项重新组合可以写成9由于是的积分因子，也是的积分因子，从而原方程有积分因子.观察法只运用于求解简单的微分方程的积分因子，有的可以直接看出，有的需要先将原方程重新组合，再运用观察法得出.1.1公式法引理1微分方程⑴存在形如：，，，，，的积分因子的充要条件有：①方程⑴存在仅与x有关的积分因子的充要条件：，是仅与x有关的函数；②方程⑴存在仅与y有关的积分因子的充要条件：，是仅与y有关的函数；③

4、方程⑴有形如的积分因子的充要条件：，是仅与x+y有关的函数，，是仅与x-y有关的函数；④方程⑴有形如的积分因子的充要条件：，是仅与xy有关的函数；⑤方程⑴有形如的积分因子的充要条件：9，是仅与有关的函数，，是仅与有关的函数；⑥方程⑴有形如的积分因子的充要条件：，是仅与有关的函数。若方程⑴中的M(x,y)，N(x,y)以及，的关系满足以上6个充要条件之一时，则方程⑴的积分因子u(x,y)都可由一阶线性齐次微分方程求得（其中是的函数）.可以取，，，，，，由此可得.我们将上述引理归结为求积分因子的公式法.例2求解微分方程的积分因子.解由于，观察可得：是关于xy的函数故原方程有积分因子：.3.3分

5、组求积分因子法定理3若u为方程⑴的一个积分因子，且，则9也是方程⑴的积分因子，其中是v的任一连续可微函数.也可以说微分方程是第一部分的积分因子，即是第二部分的积分因子，即从，中选择满足的和，其中，是分别关于，的连续可微函数，这样是原方程的积分因子.例3求解微分方程的积分因子.解将原方程各项重新组合是第一部分的积分因子是第二部分的积分因子即，分别是第一、二部分的积分因子需满足令，则所以，得到故原微分方程的积分因子为.94.积分因子的简单应用4.1利用积分因子可解线性微分方程例4求解方程.解由于，，所以原方程不是恰当微分方程因为只与y有关，故方程有只与y有关的积分因子以乘方程两边得到因而原方程

6、的通解为.4.2利用积分因子理论对初等数学中的一类重要公式进行证明引理2如果，是某个全微分方程的两个通解，则有，其中是一个确定的函数.4.2.1对数公式的证明对数公式，⑵为证明公式⑵，须求解微分方程⑶应用分离变量法可得方程的一个通解为9另一方面，易见方程有积分因子，以乘以原方程的两端，得全微分方程得到另一个通解由于方程有两种形式的通解，根据引理2，则有⑷其中是某个确定的函数，令，有故有⑸由⑷和⑸可得综上公式得证.4.2.1指数公式的证明指数公式，⑹为证明公式⑹，须求解微分方程⑶首先由分离变量法得方程⑶的通解为⑺其次，易见方程⑶有积分因子以乘以方程两端，得全微分方程即得到另一个通解⑻9于是方

7、程⑶有两种形式的通解⑺和⑻根据引理2，则有⑼其中是某一确定的函数，令有得故有⑽由⑼和⑽可得综上公式得证.参考文献：[1]王高雄,周之铭,朱思铭.常微分方程.高等教育出版社,2006[2]陈吉美.积分因子及其应用.湖南工业大学学报.2010,3(2)[3]伍军.求解积分因子的几种方法.新疆师范大学学报.2006,3(1)[4]王金诚.浅析积分因子的求法.中国科技信息.2007,10[5]崔伟业,马可欣.一阶微分方程积分因子