常微分方程是微积分学方程中常见的,应用非常广泛的方程,下面就来讨论常微分方程中最简单的变量分离微分方程。

设一阶微分方程式:

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(1)

其中f(x,y)是给定的函数,我们要做的工作是求微分方程的解y=y(x),可是一般不能用初等方法来解出这个微分方程,但是当微分方程的右端f(x,y)取某几种特殊的类型时,就可用初等积分法求解。

本篇讲一个重要的特殊情形

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(2)

此时开篇中的微分方程就变成了

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(3)

这样的方程称之为变量分离的方程。

例如下图都是变量分离的方程,

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(4)

对于变量分离的方程,可用初等积分法求它的解,为了有浅入深的掌握变量分离方程的解法,我们特地分作两步讨论 。

假设g(y) 是常数,可设g(y) =1

此时微分方程式就变成了

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(5)

为了可以对它进行积分运算,我们假设函数h(x)在区间a<x<b上连续,这实际上就是求h(x)原函数问题,因此可以直接对其取不定积分,就得到它的通解

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(6)

其中O是一个任意的常数,为了确定通解的任意常数O,需附加初始条件

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(7)

这里y0是任意给定的初始值,为了从通解中找出满足初始条件的那个解,令x=x0,得到y(x0)=O,从而确定O=y0,从而得到

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(8)

假设g(y)不是常数

此时微分方程右端与未知数y有关,因此不能像上述那样直接取不定积分求解,我们需要克服这个困难,因此假定y=y(x)是开篇中微分方程的一个解,即它满足

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(9)

且设g(y)不等于0,那么可用分离变量法把上述方程写成

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(10)

这样一来,自变量x与未知数y互相分离,因此可以对方程取不定积分得

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(11)

其中α和β分别是固定的积分下限,而O是任意常数,令

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(12)

则这个方程就变成了

微分方程变量分离法简单例题(最简单的常微分方程)(13)

总结上面的讨论,我们得知微分方程的解y=y(x)满足隐函数方程G(y)=B(x) O

上述就是的常微分方程中最简单的可分离变量方程的探讨,非常简单。

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