§1 常微分方程的基本概念

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1、第十三章常微分方程简介本章介绍微分方程的有关概念及某些简单微分方程的解法。微分方程是包含未知函数及其导数的方程。由微分方程能够求出未知函数的解析表达式，从而掌握所研究的客观现象的变化规律和发展趋势。因此，掌握这方面的知识，用之分析解决问题是非常重要的。由于在大多数情况下，微分方程很难求出初等解（即解的形式是初等函数）。那么，就需要研究解的存在理论，借助计算机求出微分方程的数值解。本章的内容，仅仅包含常微分方程的一些最初步的知识，特殊的一阶和部分二阶微分方程的初等解法；最后一节讨论微分方程的简单应用。§1常微分方程的基本概念像过去我们研究其他许多问题一样，首先通过具

2、体实际例子来引入微分方程的概念。1.1两个实例例1.1设某一平面曲线上任意一点处的切线斜率等于该点处横坐标的2倍，且曲线通过点，求该曲线的方程。解平面上的曲线可由一元函数来表示设所求的曲线方程为，根据导数的几何意义，由题意得（这是一个含未知函数的导数的方程）。另外，由题意，曲线通过点，所以，所求函数还满足。从而得到为了解出，我们只要将(1.1)的两端积分，得，我们说对于任意常数都满足方程(1.1)。再由条件(1.2)，将代入，即9。故所求曲线的方程为。再看一个例子：例1.1设质点以匀加速度作直线运动，且时。求质点运动的位移与时间的关系。解这是一个物理上的运动问题。

3、设质点运动的位移与时间的关系为。则由二阶导数的物理意义，知，这是一个含有二阶导数的方程。再由题意，因此，应满足问题要解这个问题，我们可以将(1.3)两边连续积分两次，即，(1.5)，即，(1.6)其中为任意常数。由条件(1.4)，因为，代入(1.6)，得；再由，代入(1.5)，得。故得为所求。下面我们将通过分析这两个具体的例子，给出微分方程的一些基本概念。1.2微分方程的基本概念总结所给出的两个具体的例子，我们看到：(1)例1.1的式和例1.2的式都是含有未知函数的导数的等式（例1含一阶导数，例2含二阶导数）；(2)通过积分可以解出满足这等式的函数；(3)所求函数

4、除满足等式外，还满足约束条件（例1中的式和例2中的9式）（初始条件：例1有一个初始条件，例2有两个初始条件）。由此，我们得到如下的概念。1微分方程的概念定义1.1含有未知函数的导数（或微分）的方程称为微分方程。未知函数是一元函数的方程叫做常微分方程；未知函数是多元函数的方程，叫做偏微分方程。注(1)方程中强调含有未知函数的导数。因此，它是反映未知函数、未知函数的导数与自变量之间关系的方程在微分方程中未知函数几自变量可以不单独出现，但必须出现未知函数的导数。(2)微分方程中的自变量由问题而定。如的自变量是，的自变量是，的自变量是。(3)微分方程中只含一个自变量的叫常

5、微分方程。例如，是常微分方程；不是微分方程；是偏微分方程（本章不研究）。2微分方程的阶定义1.2微分方程中出现的未知函数的最高阶导数的阶数叫做微分方程的阶。例如，是一阶微分方程；是二阶微分方程；是三阶微分方程；是一阶微分方程；一般地，是一阶微分方程的一般形式是，(1.7)其中F是个变量的函数。这里必须指出，在方程(1.7)中，9是必须出现的，而等变量则可以不出现。例如阶微分方程中，除外，其他变量都没有出现。如果能从方程(1.7)中解出最高阶导数，得微分方程。(1.8)以后我们讨论的微分方程都是已解出最高阶导数的方程或能解出最高阶导数的方程，且(1.8)式右端的函数

6、在所讨论的范围内连续。3微分方程的解定义1.3如果把某函数代入微分方程，能使方程成为恒等式，那么称此函数为微分方程的解。确切地说，设函数在区间上有阶连续导数，如果在区间上，，那么函数就叫做微分方程(1.7)在区间上的解。例如①是的解；②也是的解；③是的解；④也是的解。定义1.4(通解、特解)如果微分方程的解中含有任意常数，且任意常数的个数与微分方程的阶数相同，这样的解叫做微分方程的通解。确定了通解中任意常数，就得到了微分方程的特解。如①，③是通解。②，④是特解。注(1)微分方程的解有三种形式：显式解或；隐式解由方程确定的函数关系（通积分）；参数方程形式的解。9(2

7、)微分方程的通解：是指含有任意常数，且任意常数的个数与方程的阶数相同的解。(3)微分方程的通解也不一定能包含它的一切解。如的通解为，但也是微分方程的解，但它不包含在通解中，因为无论取何值都得不到。4微分方程的初始条件在例1.1中，当时，通常记为或；在例1.2中，当时即，当时即这些用来确定任意常数的条件为初始条件。一般来说，一阶微分方程有一个初始条件；二阶微分方程有两个初始条件与；…………二阶微分方程有个初始条件。5初值问题求微分方程满足初始条件的特解，称为初值问题。如例1.1中的⑴、⑵；例1.2中的⑴、⑵。一般一阶微分方程的初值问题记作；(1.9)二阶微分方程的初

8、值问题记作