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常微分方程(Ordinary Differential Equation I)
常微分方程(Ordinary Differential Equation II)
常微分方程(Ordinary Differential Equation III)
微分方程 :包含未知函数及其导数的方程叫做 微分方程 (Differential Equation)。未知函数导数的最高阶数称为该 微分方程的阶 (order)。
常微分方程(ODE)
:若未知函数是一元函数的微分方程称为常微分方程(Ordinary Differential Equation, ODE) 。
一般的
n 阶常微分方程
的形式(也称隐式表达式)为
u+x\cfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}=φ(u) \implies \cfrac{\mathrm{d}u}{φ(u)-u}=\cfrac{\mathrm{d}x}{x}
u
+
x
d
x
d
u
=
φ
(
u
)
⟹
φ
(
u
)
−
u
d
u
=
x
d
x
得到可分离变量的微分方程,求隐式通解即可。
齐次方程等价形式
:微分方程
d
x
d
y
=
−
Q
(
1
,
y
/
x
)
P
(
1
,
y
/
x
)
=
φ
(
x
y
)
方程化为了齐次方程标准形式,齐次二字来源于齐次函数的定义,所以与齐次线性方程中的齐次不同。
可化为齐次的类型 I
\displaystyle y=e^{-\int P(x)\mathrm{d}x}[\int Q(x)e^{-\int P(x)\mathrm{d}x}\mathrm{d}x+C]
y
=
e
−
∫
P
(
x
)
d
x
[
∫
Q
(
x
)
e
−
∫
P
(
x
)
d
x
d
x
+
C
]
伯努利方程
:形如
d
x
d
y
=
P
(
x
)
y
2
+
Q
(
x
)
y
+
R
(
x
)
的微分方程称为
里卡蒂方程
(Riccati equation)。
这是形式上最简单的非线性方程,由十七世纪意大利数学家黎卡提提出来的,在1841年法国数学家刘维尔证明了黎卡提方程一般没有初等解法,即其解不能用初等函数以及初等函数的积分来表示。
但在特殊情况下,是可以求解的。
若已知黎卡提方程的一个特解,则该方程可以求解。
设
\begin{aligned} \cfrac{dy}{dx} &= \cfrac{dz}{dx}+\cfrac{d\tilde y}{dx}=P(x)(z+\tilde y)^2+Q(x)(z+\tilde y)+R(x)\\ &=P(x)z^2+2P(x)\tilde yz+Q(x)z+P(x)\tilde y^2+Q(x)\tilde y+R(x) \end{aligned}
d
x
d
y
=
d
x
d
z
+
d
x
d
y
~
=
P
(
x
)
(
z
+
y
~
)
2
+
Q
(
x
)
(
z
+
y
~
)
+
R
(
x
)
=
P
(
x
)
z
2
+
2
P
(
x
)
y
~
z
+
Q
(
x
)
z
+
P
(
x
)
y
~
2
+
Q
(
x
)
y
~
+
R
(
x
)
由于
\cfrac{∂P}{∂y}=\cfrac{∂}{∂y}(\cfrac{∂F}{∂x})=\cfrac{∂^2F}{∂x∂y},\quad \cfrac{∂Q}{∂x}=\cfrac{∂}{∂x}(\cfrac{∂F}{∂y})=\cfrac{∂^2F}{∂y∂x}
∂
y
∂
P
=
∂
y
∂
(
∂
x
∂
F
)
=
∂
x
∂
y
∂
2
F
,
∂
x
∂
Q
=
∂
x
∂
(
∂
y
∂
F
)
=
∂
y
∂
x
∂
2
F
由P 和Q 具有连续一阶偏导数,可知上述混合偏导数连续且相等,因此必有
\begin{aligned} \cfrac{∂}{∂x}\left[Q-\cfrac{∂}{∂y}\int P(x,y)dx\right] &= \cfrac{∂Q}{∂x}-\cfrac{∂}{∂x}\left[\cfrac{∂}{∂y}\int P(x,y)dx\right] \\ &= \cfrac{∂Q}{∂x}-\cfrac{∂}{∂y}\left[\cfrac{∂}{∂x}\int P(x,y)dx\right] \\ &= \cfrac{∂Q}{∂x}- \cfrac{∂P}{∂y} \equiv 0 \end{aligned}
∂
x
∂
[
Q
−
∂
y
∂
∫
P
(
x
,
y
)
d
x
]
=
∂
x
∂
Q
−
∂
x
∂
[
∂
y
∂
∫
P
(
x
,
y
)
d
x
]
=
∂
x
∂
Q
−
∂
y