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《常見一階微分方程》類型及其一般求解思路與步驟

一、《高等數(shù)學》一階微分方程分類:

第一類:可分離變量的微分方程及其分離變量的求解方法,包括齊次微分方程(換元法)。

第二類:一階線性微分方程,其中齊次線性微分方程的求解歸結(jié)為可分離變量的微分方程;而非齊次線性微分方程基于常數(shù)變易法,或稱為待定函數(shù)法,直接得到非齊次線性微分方程的通解或者基于線性微分方程解的結(jié)構(gòu)求得其一個特解來求通解:

非齊次線性微分方程的特解=對應齊次線性微分方程的通解+非齊次的一個特解

其中伯努利方程(換元法)歸結(jié)為一階線性微分方程。

第三類:全微分方程及基于曲線積分與路徑無關(guān)的積分法,或者基于全微分運算法則與微分的形式不變性的方法(這部分內(nèi)容在曲線積分有關(guān)積分與路徑無關(guān)的內(nèi)容中討論)。

二、求解一階微分方程的基本思路

1.改寫結(jié)構(gòu),對比標準可求解類型

適當變換微分方程描述形式,比對標準類型方程結(jié)構(gòu)。常用的一階微分方程的標準類型有:

可分離變量的微分方程

具有這種結(jié)構(gòu)的方程可以使用分離變量法求解,

齊次方程(所謂齊次,各項次數(shù)相同)

將原方程轉(zhuǎn)換為可分離變量的微分方程求解。

一階線性微分方程

(1)Q(x)恒等于0時,為齊次線性方程,使用可分離變量法求解;

(2)Q(x)不恒等于0時,為非齊次線性方程,基于對應的齊次線性方程的通解,使用常數(shù)變易法,或者說待定函數(shù)法求解;也可以直接利用通過常數(shù)變易法得到的通解計算公式

直接得到通解,其中的不定積分都不帶任意常數(shù).

伯努利方程:

通過兩端同時除以yn,令z=y1-n將方程轉(zhuǎn)換為一階線性微分方程求解。

全微分方程:它的判定和求解方法,使用曲線積分相關(guān)的理論與方法求解。

滿足以上條件的微分方程為全微分方程,可以通過曲線積分與路徑無關(guān)求積分得到通解,或者基于全微分的形式不變性與全微分公式得到通解,即

2.換元轉(zhuǎn)換,構(gòu)建標準類型

對于不符合標準類型的方程,考慮對微分方程進行適當變換后,使用換元法將一階微分方程

的右邊項f(x,y)的部分表達式用新的變量表示,或者其中的變量用新的變量表達式替換,將方程轉(zhuǎn)換為一階微分方程標準類型來求解。

【注】換元表達式的選取一般不具有普適性的技巧,就是通過不斷改寫微分方程表達式,不斷嘗試選取不同表達式換元,直到將微分方程換元后轉(zhuǎn)換為已知類型結(jié)構(gòu)為止!其中齊次方程轉(zhuǎn)換為可分離變量的方程求解,伯努利方程轉(zhuǎn)換為線性微分方程求解就是典型的換元求解思路。

3.變更因變量與自變量地位

將求解y函數(shù)轉(zhuǎn)換為求x函數(shù):

然后再對比標準類型;如果符合,則使用相應的思路求解;否則,在此思路上,再考慮第二種思路,通過變量替換轉(zhuǎn)換為標準類型求解。

【注】課件中特別關(guān)注3建議利用該題體驗求解一階微分方程的基本思路);內(nèi)容小結(jié)與練習中的練習2,對于右邊項為分段函數(shù)的求解與討論!

參考課件節(jié)選:

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