微积分 · 追问笔记
THE CALCULUS LIFESAVER / 第 30 章

微分方程

识别可分离、一阶线性和常系数方程,解初值问题并检查遗漏解。

6 组核心追问3 组练习原书 pp. 645–668

先修:第 18、28 章:积分法与复数

这一章怎么读
  1. 先看问题,暂停一下,用自己的话作答。
  2. 卡住时只展开提示,再阅读推理与公式。
  3. 独立做三组练习;隔一天不看解答重做错题。

建议将一章分成数次学习;以能解释理由、独立做题为进度标准。

本章目录30.1 方程、阶数与初值30.2 可分离变量30.3 一阶线性与积分因子30.4.1–30.4.3 常系数齐次30.4.4–30.4.8 非齐次与共振30.5 建模与核验
追问 01

30.1 方程、阶数与初值

微分方程的未知数为什么是一整个函数?

先看一个提示

它约束的是函数在各点的值与导数之间的关系。

展开推理与讲解

最高出现的导数阶数决定方程阶数。通解含常数,初值用来确定这些常数;一阶通常需要一个初值,二阶通常需要两个独立初值。得到公式后须同时检验原微分方程和初值,代入某一个点成立并不等于解方程。

y=ky,y(0)=y0y=y0ekxy'=ky,\quad y(0)=y_0\Longrightarrow y=y_0e^{kx}
追问 02

30.2 可分离变量

分离变量时除以含 yy 的表达式,会不会丢解?

先看一个提示

被除数为零可能对应常数平衡解。

展开推理与讲解

y=g(x)h(y)y'=g(x)h(y),在 h(y)0h(y)\ne0 的区域积分 dy/h(y)=g(x)dxdy/h(y)=g(x)dx。另把 h(y)=0h(y)=0 的常数解补回。隐式解可能已经最合适;若使用反三角函数显式解,还需根据初值选分支。最后说明解存在的区间。

dyh(y)=g(x)dx+C\int\frac{dy}{h(y)}=\int g(x)dx+C
追问 03

30.3 一阶线性与积分因子

怎样把两项左边合成一个乘积的导数?

先看一个提示

选择因子使它的导数等于自身乘 p(x)p(x)

展开推理与讲解

先规范为 y+p(x)y=q(x)y'+p(x)y=q(x),取非零积分因子 μ=epdx\mu=e^{\int p dx}。乘后左边变成 (μy)(\mu y)',积分再除以 μ\mu。一阶线性允许系数随 xx 变,但 yyyy' 都只出现一次方;y2y^2 不是线性项。

y=1μ(μqdx+C),μ=epdxy=\frac1\mu\left(\int\mu q\,dx+C\right),\quad\mu=e^{\int p\,dx}
追问 04

30.4.1–30.4.3 常系数齐次

为什么猜指数能把二阶方程变成二次方程?

先看一个提示

指数每次求导只改变常数倍。

展开推理与讲解

ay+by+cy=0ay''+by'+cy=0a0a\ne0),试 erxe^{rx} 得特征方程。两个不同实根给两指数;重根给 (C1+C2x)erx(C_1+C_2x)e^{rx};共轭根 α±iβ\alpha\pm i\beta 给实解 eαx(C1cosβx+C2sinβx)e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x+C_2\sin\beta x)。重根情况需要第二个独立解,不能重复写同一指数。

ar2+br+c=0ar^2+br+c=0
追问 05

30.4.4–30.4.8 非齐次与共振

为什么非齐次通解是“一个特解加齐次通解”?

先看一个提示

任意两个特解之差满足齐次方程。

展开推理与讲解

对多项式、指数、正余弦及其有限组合,可猜同类型待定系数特解。若猜测与齐次解冲突,乘 xx,必要时乘到特征根重数对应的 xsx^s,再代回比较系数。先得到通解,再用初值解常数。待定系数法不是所有右端函数都适用。

y=yH+yP,L[yP]=f,L[yH]=0y=y_H+y_P,\qquad L[y_P]=f,\quad L[y_H]=0
追问 06

30.5 建模与核验

把现实问题写成方程,最关键的一步是什么?

先看一个提示

写出“净变化率等于流入减流出或增长减损耗”。

展开推理与讲解

用符号表示数量、时间与单位,把“成比例增长”和“外部作用”分别写成项。若药物不断加入,其已有总量也随时间增加,杀灭率可能不是常数。解得到负数量时应回到模型有效范围,不能把负数量当现实结论。用初值、单位和长期趋势共同核验。

dPdt=增长率损耗率\frac{dP}{dt}=\text{增长率}-\text{损耗率}
动手观察

初值实验:同一方程,不同起点

显示 y′ = −2y 的解。改变初值只改变解曲线的振幅与符号。

图示用于形成猜想;严谨结论请结合本章定义、公式与证明。

本章练习 · 先尝试,再揭示

本书没有独立章末习题集。以下明确区分原书例题、正文结论改编及补充自测;页码是印刷页码,链接另标 PDF 页序。延伸问法已在题目或解答中说明。

练习 1 / 3

原书例题重述 · 30.1 · 原书 p. 646(PDF 第 671 页)↗

解初值问题 y=2y, y(0)=5y'=-2y,\ y(0)=5

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

先写指数通解。

提示二 · 关键转折

代入零点确定常数。

参考解答 · 完成尝试后再展开

通解 y=Ae2xy=Ae^{-2x},初值给 A=5A=5,因此 y=5e2xy=5e^{-2x}。验证 y=10e2x=2yy'=-10e^{-2x}=-2y,且 y(0)=5y(0)=5

练习 2 / 3

原书例题重述 · 30.4.5 · 原书 p. 659(PDF 第 684 页)↗

y3y=5e2xy'-3y=5e^{2x}

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

齐次部分为 Ce3xCe^{3x},特解试 Ae2xAe^{2x}

提示二 · 关键转折

代回得 (2A3A)e2x=5e2x(2A-3A)e^{2x}=5e^{2x}

参考解答 · 完成尝试后再展开

A=5A=-5,通解 y=Ce3x5e2xy=Ce^{3x}-5e^{2x}。也可乘积分因子 e3xe^{-3x},得到 (e3xy)=5ex(e^{-3x}y)'=5e^{-x} 后积分。

练习 3 / 3

补充自测 · 对应 30.4 · 本笔记编写

y2y+y=0y''-2y'+y=0y(0)=1,y(0)=0y(0)=1,y'(0)=0;再求 yy=exy'-y=e^x 的通解。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

第一问为重根,第二问特解与齐次解共振。

提示二 · 关键转折

分别用 (C1+C2x)ex(C_1+C_2x)e^xAxexAxe^x

参考解答 · 完成尝试后再展开

第一问 C1=1,C1+C2=0C_1=1,C_1+C_2=0,所以 y=(1x)exy=(1-x)e^x。第二问代入 AxexAxe^x 得左边 AexAe^xA=1A=1,通解 y=(C+x)exy=(C+x)e^x

学习闭环

过关自查

写一段自己的章节总结

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