可分离变量的微分方程

可分离变量的微分方程也叫做变量分离方程,指的是形如
\frac{dy}{dx}=f(x)\varphi(y)的方程.
等价定义
可化为g(y)dy=f(x)dx的方程,称为可分离变量的微分方程.
一般解法(求通解)
分离变量法:

对\frac{dy}{dx}=f(x)\varphi(y),若\varphi(y)\neq 0则
\frac{dy}{\varphi(y)}=f(x)dx,两边取不定积分,得
\int \frac{dy}{\varphi(y)}=\int f(x)dx\, +c,这里\int \frac{dy}{\varphi(y)}和\int f(x)dx\,理解为某个确定的原函数,c为任意常数.

对g(y)dy=f(x)dx也是一样的解法.

初值问题(求特解)
1.不定积分法

以g(y)dy=f(x)dx为例,若给初始条件y\mid_{x=x_0}=y_0,则对g(y)dy=f(x)dx两边取不定积分,得

\int g(y)dy=\int f(x)dx+c,将初始条件代入,求得

c=c_0,再代回原方程即得所要求的特解F(x,y).

2.变上限积分法

仍以g(y)dy=f(x)dx为例,若给初始条件y\mid_{x=x_0}=y_0,对g(y)dy=f(x)dx两边取不定积分,得

G(y)=F(x)+c,其中G(y),F(x)分别为g(y),f(x)的一个原函数,代入初始条件,有

G(y_0)=F(x_0)+c\Rightarrow c=G(y_0)-F(x_0),代回原方程得特解为G(y)=F(x)+G(y_0)-F(x_0),即

G(y)-G(y_0)=F(x)-F(x_0),根据牛顿—莱布尼茨公式,可知

\int_{y_0}^{y} g(u)du=\int_{x_0}^{x}f(v)dv,在不混淆的时候,可写为

\int_{y_0}^{y} g(y)dy=\int_{x_0}^{x}f(x)dx.

所以可以用两边取变上限积分的方法求这类初值问题.

若又给条件y\mid_{x=x_1}=y_1,将此条件代入G(y)-G(y_0)=F(x)-F(x_0),得

G(y_1)-G(y_0)=F(x_1)-F(x_0),即

\int_{y_0}^{y_1} g(y)dy=\int_{x_0}^{x_1}f(x)dx.
参考资料
1.《常微分方程(第三版)》王高雄、周之铭等编 高等教育出版社

2.《高等数学(第六版)》同济大学

3.《微积分(第二版)》同济大学应用数学系

4.《微积分学习指导书》同济大学应用数学系

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