第三讲 一阶线性ODE

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一,一阶线性ODE的一般形式:a(x){y}'+b(x)y=c(x)

二,标准形式:{y}'+p(x)y=q(x)

三,如果c(x)=0q(x)=0,则方程为齐次方程;

四,“温度—浓度”模型:

  1. 假设用半透膜(只能渗透盐的膜)包裹着淡水放进已加热的盐水里,淡水的温度是T,盐水的温度是T_{e}T< T_{e}
  2. 建立温度扩散的微分方程(牛顿冷却定律):\frac{\mathrm{dT} }{\mathrm{d} t}=K(T_{e}-T),t表示时间,K表示热导率,K>0
  3. 初始条件:T(t)=T(0)=T_{0}
  4. 假设淡水的浓度是C,盐水的浓度是C_{e}
  5. 建立浓度扩散的微分方程:\frac{\mathrm{dC} }{\mathrm{d} t}=K_{1}(C_{e}-C)K_{1}表示扩散率
  6. 初始条件:C(t)=C(0)=C_{0}

五、微分方程\frac{\mathrm{dy} }{\mathrm{d} x}=K(y_{e}-y)的标准形式:\frac{\mathrm{dy} }{\mathrm{d} x}+Ky=Ky_{e},K可以是含x的函数

六、积分因子法解微分方程:

  1. 将微分方程化成标准型:{\color{Red} {y}'+p(x)y=q(x)}
  2. 两边同时乘积分因子u(x)u{y}'+upy=uq
  3. 为了将方程左边u{y}'+upy\Rightarrow {(uy)}',设up={u}'
  4. 解出u{u}'=up\Rightarrow \int \frac{du}{u}=\int pdx\Rightarrow ln(u)=\int pdx+C\Rightarrow {\color{Red} u=e^{\int pdx}},(只取一个u,因此C=0)
  5. 方程化为{\color{Red} {(uy)}'=uq},积分得出通解uy=\int uqdx+C\Rightarrow y=\frac{1}{u}\int uqdx+\frac{C}{u}
  6. 代入初始条件y(x)=y(0)=y_{0},解出C
  7. 将C代入通解,得特解
  8. 做题步骤:1→4→5→6和7

七、解常系数微分方程\frac{\mathrm{dy} }{\mathrm{d} x}=K(y_{e}-y)

  1. 化成标准型:\frac{\mathrm{dy} }{\mathrm{d} x}+Ky=Ky_{e}
  2. 解出uu=e^{\int pdx}=e^{Kx}
  3. 方程化为(e^{Kx}y)}'=e^{Kx}Ky_{e}
  4. 积分得出通解e^{Kx}y=\int e^{Kx}Ky_{e}dx+C\Rightarrow y=e^{-Kx}\int e^{Kx}Ky_{e}dx+e^{-Kx}C
  5. 代入初始条件y(0)=y_{0},解出C:y=e^{-Kx}\int_{0}^{x}e^{Kx}Ky_{e}dx+e^{-Kx}C\Rightarrow y_{0}=C
  6. 得特解(略)
  7. 通解前半部分称为稳态解e^{-Kx}\int_{0}^{x}e^{Kx}Ky_{e}dx,后半部分称为暂态解e^{-Kx}C
  8. 因为K> 0,当x\rightarrow \infty时,暂态解e^{-Kx}C\rightarrow 0,只留下稳态解

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