常微分方程　全套课件.ppt

300多年前，由牛顿(Newton,1642-1727)和莱布尼兹(Leibniz,1646-1716)所创立的微积分学，是人类科学史上划时代的重大发现，而微积分的产生和发展，又与求解微分方程问题密切相关.这是因为，微积分产生的一个重要动因来自于人们探求物质世界运动规律的需求.一般地，运动规律很难全靠实验观测认识清楚，因为人们不太可能观察到运动的全过程.然而，运动物体(变量)与它的瞬时变化率(导数)之间，通常在运动过程中按照某种己知定律存在着联系，我们容易捕捉到这种联系，而这种联系，用数学语言表达出来，其结果往往形成一个微分方程.一旦求出这个方程的解，其运动规律将一目了然.下面的例子，将会使你看到微分方程是表达自然规律的一种最为自然的数学语言. 例1 物体下落问题　　设质量为m的物体，在时间t=0时，在距地面高度为H处以初始速度v(0) = v0垂直地面下落，求ss此物体下落时距离与时间的关系.　　解 如图1-1建立坐标系，设为t时刻物体的位置坐标.于是物体下落的速度为 加速度为　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 质量为m的物体，在下落的任一时刻所受到的外力有重力mg和空气阻力，当速度不太大时，空气阻力可取为与速度成正比.于是根据牛顿第二定律　　　　　　　　　　　　F = ma 　　　　(力=质量×加速度)　　可以列出方程　　 　　　　　　　　 (1.1)其中k ＞ 0为阻尼系数，g是重力加速度.　　(1.1)式就是一个微分方程，这里t是自变量，x是未知函数，是未知函数对t导数.现在，我们还不会求解方程(1.1)，但是，如果考虑k=0的情形，即自由落体运动，此时方程(1.1)可化为　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1.2）　　　　　　　　 在一个常微分方程中，未知函数最高阶导数的阶数，称为方程的阶.这样，一阶常微分方程的一般形式可表为 n 阶隐式方程的一般形式为 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1.11）　　n 阶显式方程的一般形式为　　　　　　　　　　　　　　　　　(1.12) 　　在方程(1.11)中，如果左端函数F对未知函数y和它的各阶导数y′,y″,…,y(n)的全体而言是一次的，则称为线性常微分方程，否则称它为非线性常微分方程.这样，一个以y为未知函数，以x为自变量的n阶线性微分方程具有如下形式： 　　　　　　　　　 显然，方程(1.4)是一阶线性方程；方程(1.5)是一阶非线性方程；方程(1.6)是二阶线性方程；方程(1.7)是二阶非线性方程. 通解与特解 微分方程的解就是满足方程的函数，可定义如下.　　定义1.１ 设函数 在区间I上连续，且有直到n阶的导数.如果把 代入方程(1.11)，得到在区间I上关于x的恒等式，　　　　　　　　　　 则称 为方程(1.11)在区间I上的一个解.　　这样，从定义1.1可以直接验证：　　1. 函数y = x^2+C是方程(1.4)在区间(-∞，+∞)上的解，其中C是任意的常数.　　2. 函数是方程(1.5)在区间（-1,+1）上的解，其中C是任意常数.又方程(1.5)有两个明显的常数解y =±１，这两个解不包含在上述解中. 2. 函数 是方程(1.5)在区间（-1,+1）上的解，其中C是任意常数.又方程(1.5)有两个明显的常数解y =±１，这两个解不包含在上述解中.　　3. 函数 是方程(1.6)在区间(-∞，+∞)上的解，其中和是独立的任意常数. 　　4. 函数 是方程(１.７)在区间(-∞，+∞)上的解，其中和是独立的任意常数.　这里，我们仅验证3，其余留给读者完成.事实上，在(-∞，+∞)上有 事实上，在(-∞，+∞)上有  所以在（－∞，＋∞）上有 　　　　　　　　　　　 从而该函数是方程(1.6)的解.　　从上面的讨论中，可以看到一个重要事实，那就是微分方程的解中可以包含任意常数，其中任意常数的个数可以多到与方程的阶数相等，也可以不含任意常数.我们把n阶常微分方程(1.11)的含有n个独立的任意常数C1，C2，…，Cn的解 ，称为该方程的通解，如果方程(1.11)的解不包含任意常数，则称它为特解.由隐式表出的通解称为通积分，而由隐式表出的特解称为特积分.  由上面的定义，不难看出，函数 和 分别是方程(1.4)，(1.5)和(1.6)的通解，函数