一阶线性微分方程

news2024/12/23 13:12:43

形如:
y ′ + p ( x ) y = q ( x ) (1.first) y' + p(x)y = q(x) \tag{1.first} y+p(x)y=q(x)(1.first)
的方程叫做一阶线性微分方程

同济版教材的求解方法是常数变异法,初次接触感觉主编的脑回路异常清奇,自己怎么也get不到核心要义。一直到现在都感觉云里雾里,摸不到方向,不明白课本里的逻辑到底是要表达什么,如果谁能用简单易懂的方法证明一下,我是很乐意接受指教的。

下面说一下我在知乎上手的启发和我自己的感悟。

知乎上关于常数变异法的解释通俗易懂,大意是:

  1. 等式乘以u(x),左边凑分部积分。那么可以做出如下变换:
    y ′ u ( x ) + y u ( x ) p ( x ) = q ( x ) u ( x ) (1.0) y' u(x)+ y u(x)p(x) = q(x)u(x) \tag{1.0} yu(x)+yu(x)p(x)=q(x)u(x)(1.0)

等式的左边看作是 y u ( x ) y u(x) yu(x)两个函数的积求微分的形式,根据微分的乘法公式可得:

[ y u ( x ) ] ′ = q ( x ) u ( x ) (1.1) [y u(x)]' = q(x)u(x) \tag{1.1} [yu(x)]=q(x)u(x)(1.1)

y = ∫ q ( x ) u ( x ) d x u ( x ) (1.2) y = \frac{ \int q(x)u(x)dx}{u(x)} \tag{1.2} y=u(x)q(x)u(x)dx(1.2)

上面的变换成立的基础条件是:
u ′ = u ( x ) p ( x ) (1.3) u' = u(x)p(x) \tag{1.3} u=u(x)p(x)(1.3)

此时的问题转化为,要找到一个函数u(x)满足(1.3)的条件。而根据微分方程的基础知识可知,这个函数可以分离微分变量,必定可以解出u(x):

d u u ( x ) = p ( x ) d x \frac{du}{u(x)} = p(x)dx u(x)du=p(x)dx

l n ∣ u ( x ) ∣ = ∫ p ( x ) d x + C ln |u(x)| =\int {p(x)dx} + C lnu(x)=p(x)dx+C
u ( x ) = C e ∫ p ( x ) d x (1.4) u(x) = Ce^{\int {p(x)dx} } \tag{1.4} u(x)=Cep(x)dx(1.4)

  1. 将(1.4)带入(1.2)可得方程 ( 1. f i r s t ) (1.first) (1.first)的一个特解为:

y = C ∫ q ( x ) e ∫ p ( x ) d x d x e ∫ p ( x ) d x y =C \frac{ \int q(x) e^{\int {p(x)dx} } dx}{e^{\int {p(x)dx} } } y=Cep(x)dxq(x)ep(x)dxdx

课本中的描述能看懂,但是不明白,为什么要将常数代换为u(x),另外,对于接下来的描述,也无法从已有的知识中找到推理和
证明,证明逻辑上是完美自洽的。

望各位网友不吝赐教。

同济版课本中的描述如下:

在这里插入图片描述

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