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- 先看问题,暂停一下,用自己的话作答。
- 卡住时只展开提示,再阅读推理与公式。
- 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 0130.1 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。
继续追问:两个不同函数能否满足同一个没有初值的微分方程?
核对这一步的回答
可以。不同常数对应不同初值,例如 Aekx 对任意常数 A 都满足同一方程。
追问 0230.2 可分离变量
分离变量时除以含 y 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
对 y′=g(x)h(y),在 h(y)=0 的区域积分 dy/h(y)=g(x)dx。另把 h(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。
继续追问:为何解 y′=ky 时除以 y 后需要补回零解?
核对这一步的回答
因为除法排除了 y=0,但零函数本身满足原方程。
追问 0330.3 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)。
展开推理与讲解
先规范为 y′+p(x)y=q(x),取非零积分因子 μ=e∫pdx。乘后左边变成 (μy)′,积分再除以 μ。一阶线性允许系数随 x 变,但 y 与 y′ 都只出现一次方;y2 不是线性项。
继续追问:若原方程的 y′ 系数不是 1,第一步该做什么?
核对这一步的回答
先在系数非零的区间除以它,规范为 y′+py=q,再求积分因子。
追问 0430.4.1–30.4.3 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
对 ay′′+by′+cy=0(a=0),试 erx 得特征方程。两个不同实根给两指数;重根给 (C1+C2x)erx;共轭根 α±iβ 给实解 eαx(C1cosβx+C2sinβx)。重根情况需要第二个独立解,不能重复写同一指数。
继续追问:复特征根为什么仍可产生全实值的解?
核对这一步的回答
共轭指数解可作实线性组合,欧拉公式把它们改写成正余弦。
追问 0530.4.4–30.4.8 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 x,必要时乘到特征根重数对应的 xs,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。
继续追问:对 y′−y=ex 猜 Aex 为什么必然失败?
核对这一步的回答
代入后左边为零,不可能等于非零的 ex;乘一个 x 后才得到有效特解。
追问 0630.5 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。
继续追问:外部每小时加入固定量,是否等于其造成的总效应固定不变?
核对这一步的回答
不等于。如果效应与已累积的总量成正比,持续加入会使总效应随时间增加。
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)=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=Ae−2x,初值给 A=5,因此 y=5e−2x。验证 y′=−10e−2x=−2y,且 y(0)=5。
练习 2 / 3原书例题重述 · 30.4.5 · 原书 p. 659(PDF 第 684 页)↗
解 y′−3y=5e2x。
写下我的思路
提示一 · 从哪里开始
齐次部分为 Ce3x,特解试 Ae2x。
提示二 · 关键转折
代回得 (2A−3A)e2x=5e2x。
参考解答 · 完成尝试后再展开
A=−5,通解 y=Ce3x−5e2x。也可乘积分因子 e−3x,得到 (e−3xy)′=5e−x 后积分。
练习 3 / 3补充自测 · 对应 30.4 · 本笔记编写
解 y′′−2y′+y=0 且 y(0)=1,y′(0)=0;再求 y′−y=ex 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 和 Axex。
参考解答 · 完成尝试后再展开
第一问 C1=1,C1+C2=0,所以 y=(1−x)ex。第二问代入 Axex 得左边 Aex,A=1,通解 y=(C+x)ex。