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学了两三学期的微积分以后就要利用导数来完整地练习解微分方程了。导数是一种数据相对于另一种的变化速率。例如,速度随着时间的变化率就是速度关于时间的导数(和斜率相比较一下)。每天这种变化率都会出现很多次,例如,复利定律中,利息增加的速度和账户金额成比例,用dV(t)/dt=rV(t) 和 V(0)=P 可以表示出来(P就是初始金额),V(t)是时间的函数,表示目前的账户金额数(用以不断评估利息),r是目前利率(dt是极短的时间间隔,dV(t)是无穷小金额,是V(t)在这个时间的变化,他们的商是增加速率)。虽然信用卡利息通常是每日累积计算,以APR(年度增加率)来表示,这个微分方程还是可以可以解出一个方程,得到连续解V(t)= Pe ^(rt)。本文将教你如何解决最常见类型的微分方程,尤其是力学和物理方程。

方法 1
方法 1 的 4:

基本方法

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  1. 当变量倾向于0的时候,函数(一般是y)增量和变量(一般是x)增量的比值会取得一个极限值,这就是导数(也称为微分系数,特别在英国)。或者说在一瞬间,变量的微小变化造成的函数的微小变化。以速度距离,速度就是距离对时间的瞬时变化。下面比较一阶导数和二阶导数:
    • 一阶导数即原导数的函数。例如:“速度是距离关于时间的一阶导数。”
    • 二阶导数即函数导数的导数。例:“加速度是距离对时间的二阶导数。”
  2. 最高导数次数是由最高阶导数的阶数决定的。导数的最高次数则是导数中的项的最高次数。比如图一的微分方程是二阶、三次导数。
  3. 3
    了解如何区别通解、完全解和特解。 完整解包含一些任意常数,任意常数的数目和导数的最高阶数相等(要解开n阶微分方程,需要进行n次积分,每次积分都需要加入一项任意常数)。例如在复利定律里,微分方程dy/dt=ky是一阶导数,完整解y = ce^(kt) 正好有一个任意常数。特解是用特定数字带入通解来获得的。
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方法 2
方法 2 的 4:

解一阶微分方程

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一个一阶一级的微分方程可以表达为M dx + N dy = 0,M和N分别是x和y的函数。为了解决这个微分方程,按如下步骤来做:

  1. 一个微分方程若可以表达为f(x)dx + g(y)dy = 0,则其变量可分离。f(x)是只关于x的函数,g(y)是只关于y的函数。这些都是最容易解的微分方程。他们可以积分为∫f(x)dx +∫g(y)dy = c,c是一个任意常数。下面是一个通用的方法,参见图2为例。
    • 去掉分式部分。如果等式含有微分,用独立变量的微分相乘。
    • 把所有具有相同微分的项集合成一项
    • 分别积分不同微分的部分。
    • 简化表达式。可以通过合并同类项,把对数转化为指数,用最简单的符号来表达任意常数,以下为例
  2. 如果把x和y替换为λx和λy,会导致整个函数的值为原函数乘以λ的n次方,那么λ的次数n就是原函数的次数。这样微分方程M dx + N dy = 0就是均匀的。如果出现这种情况,请用以下步骤来解。图3是一个示例。
    • 让 y=vx, 得出dy/dx = x(dv/dx) + v.
    • 从 M dx + N dy = 0可得到dy/dx = -M/N = f(v)。因为 y 是v的函数。
    • 得出 f(v) = dy/dx = x(dv/dx) + v 。 现在变量x 和 v 可以分离了: dx/x = dv/(f(v)-v))
    • 用可分离的变量解新得出的微分方程,然后用y替代vx 得出y
  3. 如果不能用以上方法得出结果,试试可不可以用dy/dx + Py = Q形式的线性方程解出来(P Q 都是只关于x的方程或常数)。 记住这里x、y可以交替使用。图4为例:
    • 设 y=uv,u 和 v 是x的函数。
    • 两边微分,得到 dy/dx = u(dv/dx) + v(du/dx)
    • 代入dy/dx + Py = Q 得到 u(dv/dx) + v(du/dx) + Puv = Q,或 u(dv/dx) + (du/dx + Pu)v = Q
    • 通过积分可以分离变量的等式du/dx + Pu = 0得到u。然后用u的值,通过u(dv/dx) = Q得出 v ,这里的变量仍然可以分离
    • 最后用y=uv 得出y
  4. 通过以下方法来解:
    • 设 u = y1-n,这样 du/dx = (1-n) y-n (dy/dx).
    • 因此得出 y = u1/(1-n)、 dy/dx = (du/dx) yn / (1-n)和 yn = un/(1-n)
    • 代入Bernoulli Equation, 同乘(1-n) / u1/(1-n)得出 du/dx + (1-n) p(x) u = (1-n) q(x)
    • 注意这只是关于u的一阶线性方程,可以用上述方法来解(步骤3)。解出之后代入y = u1/(1-n) 得到完整解。
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方法 3
方法 3 的 4:

解二阶微分方程

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  1. 如果是,就只要用图5标出的方法来做就好。
  2. 如果满足,这个微分方程可以简单用下列步骤当作一个二次方程来解。
  3. 如果是这样,可以用下列的步骤解决微分方程。以图7的步骤为例。
    • 把图6方程(1)(f(x)=0)以上面说过的方法解出来。 解出来是y = u的形式,u是图7方程 (1) 的余函数。
    • 按以下步骤代入试出一个图7方程(1)的特解y = v。
      • 若 f(x) 不是方程(1)的特解,则:
        • 若 f(x) 形式为f(x) = a + bx,则假设y = v = A + Bx;
        • 若 f(x) 形式为f(x) = aebx,则假设y = v = Aebx;
        • 若 f(x) 形式为f(x) = a1 cos bx + a2 sin bx,则假设y = v = A1 cos bx + A2 sin bx.
      • 若 f(x)是(1)的特解则按以上形式各种情况再乘一个x
    • 方程 (1)的完整解则是通过 y = u + v得出
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方法 4
方法 4 的 4:

解高次微分方程

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高阶微分方程更难解,除了以下某些特殊情况:

  1. 如果是,则按照图8步骤解。
  2. 如果是,可如下解决微分方程:
  3. 如果是这样,此微分方程和二阶线性微分方程解决方法类似。如下所示求解:
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现实中的应用

  1. 复利法:利息率的增加是和初始金额成正比的。更一般地说,一个独立变量的利率变化是和对应值的函数成正比的。也就是说,如果y = f(t),则dy / dt =ky。可以用可分离变量解这个函数,会得到y = ce ^(kt),y是一笔金额的的累积复利,c是任意常数,k是利率,例如,美元方面的利率是一年一美元,t是时间。这里看来,时间就是金钱。
  2. 声学上,简单的谐波振动具有和负距离成正比的加速度。回想一下,加速度是距离的二阶导数,所以d2s / dt2 + k2s = 0, s =距离,t =时间,和k2的是在单位距离的加速度大小。这是一个简单的谐波方程,也是一个二阶常系数线性微分方程,和图6中解的方程(9)和(10)类似。得出的解是s = c1cos kt + c2sin kt。 这个方程可以进一步简化。设c1 = b sin A,c2 = b cos A 。代入得到b sin A cos kt + b cos A sin kt。回想一下三角函数中,sin(x + y)=sin x cos y + cos x sin y,所以表达式可以简化为s = b sin (kt + A)。波形遵循简单的谐波方程,以2π/ k为周期在- b和b之间摆动。

小提示

  • 注意:微分的反面是积分,积分用来计算不断变化的量的累积总和。例如通过已知的一定时间内的距离的损失变化率(速率)计算距离(根据d = rt)。
  • 把解回代入原始微分方程,看看是否满足。这样可以确保你解对了方程。
  • 很多微分方程难以用上述方法来解。但上述方法已经足以对付常见的微分方程了。
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警告

  • 和可以求导的那些方程不同,很多微分方程表达式是不能求积分的。所以不要浪费时间求不能求积的函数的积分式。要记得查查积分表来确认可否求导。微分方程只在化简成含有积分形式的表达式时可以求解,无论积分形式实际上成立与否。
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你需要准备

  • 纸张
  • 水笔或铅笔
  • 一张积分表可能会帮你点忙

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