求微分方程的通解例题

时间:2025-03-11 03:42:12 单机游戏

例1:一阶线性微分方程

求微分方程 $y' + P(x)y = Q(x)$ 的通解,其中 $P(x) = -2$,$Q(x) = e^x$。

解:

1. 根据一阶线性微分方程的通解公式:

\[ y = e^{-\int P(x) dx} \left( \int Q(x) e^{\int P(x) dx} dx + C \right) \]

2. 代入 $P(x)$ 和 $Q(x)$ 的值:

\[ y = e^{\int -2 dx} \left( \int e^x e^{-2x} dx + C \right) \]

\[ y = e^{-2x} \left( \int \frac{1}{e} dx + C \right) \]

\[ y = e^{-2x} \left( e^{-x} + C \right) \]

\[ y = 1 + C e^{-2x} \]

例2:可分离变量的微分方程

设 $u = x + a$,$v = y + b$,且 $a + b = -1$,$a - b = 3$,求 $v$ 关于 $u$ 的微分方程的通解。

解:

1. 由 $a + b = -1$ 和 $a - b = 3$,解得 $a = 1$,$b = -2$。

2. 因此,$u = x + 1$,$v = y - 2$。

3. 计算 $\frac{dv}{du}$:

\[ \frac{dv}{du} = \frac{dy}{dx} = \frac{du}{dx} + \frac{dv}{dx} = 1 + \frac{dv}{du} \]

\[ \frac{dv}{du} - \frac{dv}{dx} = 1 \]

\[ \frac{dv}{du} (1 - \frac{dx}{du}) = 1 \]

\[ \frac{dv}{du} = \frac{1}{1 - \frac{dx}{du}} \]

4. 设 $w = \frac{v}{u}$,则 $v = uw$,$\frac{dv}{du} = w + u \frac{dw}{du}$。

5. 代入得:

\[ w + u \frac{dw}{du} = 1 \]

\[ \frac{dw}{1 - w} = \frac{dx}{1} \]

6. 两边积分:

\[ \int \frac{dw}{1 - w} = \int dx \]

\[ -\ln|1 - w| = x + C \]

\[ \ln|1 - w| = -x - C \]

\[ 1 - w = e^{-x - C} \]

\[ w = 1 - e^{-x - C} \]

7. 因此,$v = u(1 - e^{-x - C}) = (x + 1)(1 - e^{-x - C})$。

例3:二阶齐次线性微分方程

求微分方程 $y'' = y'$ 的通解。

解:

1. 设 $y' = p$,则 $y'' = p'$。

2. 代入得:

\[ p' = p \]

\[ \frac{dp}{p} = dx \]

\[ \ln|p| = x + C_1 \]

\[ p = C_2 e^x \]

3. 由于 $p = y'$,积分得:

\[ y = C_2 e^x + C_3 \]

例4:满足初始条件的特解

求微分方程 $y'' - 2y' + y = 0$ 满足初始条件 $y(0) = 1$,$y'(0) = 2$ 的特解。

解:

1. 特征方程为 $\lambda^2 - 2\lambda + 1 = 0$,解得 $\lambda = 1$(重根)。

2. 因此,通解为:

\[ y = (C_1 + C_2 x) e^x \]

3. 代入初始条件:

\[ y(0) = C_1 e^0 = 1 \]

\[ C_1 = 1 \]

\[ y'(x) = C_2 e^x + (C_1 + C_2 x) e