上册 · 苏德矿《微积分》第三版

第六章 常微分方程

教材 p.292–357。按类型套流程;识别不出类型,就无从下手。

框架可分离变量 齐次方程 一阶线性 二阶常系数 差分方程

本章结构(对应教材)#

节内容页码
§1基本概念292
§2可分离变量方程、齐次方程297
§3一阶线性微分方程、伯努利方程303
§4全微分方程(带 * )310
§5可降阶的二阶方程(三种类型)312
§6二阶线性微分方程解的结构317
§7二阶常系数线性方程(齐次、非齐次、欧拉方程)321
§8常系数线性微分方程组335
§9二阶变系数线性方程的一般解法(降阶法、常数变易法)337
§10数学建模(二)342
§11差分方程(带 * )348
›提示本页覆盖范围

§2、§3、§7 已整理;§5 可降阶、§6 解的结构、§8–§11 待补。

本章在考什么#

题型分值频率说明
一阶方程求解(可分离 / 齐次 / 线性)8–12 分必考计算主力
二阶常系数齐次方程8–10 分必考特征根三种情形
二阶常系数非齐次方程8–10 分高频特解形式设定
应用题(建立方程)8–12 分中频增长、冷却、混合

知识框架#

基本概念
├─ 阶:最高阶导数的阶数
├─ 通解:含独立任意常数,个数 = 阶数
└─ 特解:由初始条件确定常数后得到

一阶方程
├─ 可分离变量:y' = f(x)g(y) ⇒ dy/g(y) = f(x)dx
├─ 齐次方程:y' = φ(y/x),令 u = y/x
└─ 一阶线性:y' + P(x)y = Q(x),套公式

二阶常系数
├─ 齐次:y'' + py' + qy = 0,解特征方程 r² + pr + q = 0
│  ├─ 两不等实根:y = C₁e^{r₁x} + C₂e^{r₂x}
│  ├─ 重根:y = (C₁ + C₂x)e^{rx}
│  └─ 共轭复根 α±βi:y = e^{αx}(C₁cos βx + C₂sin βx)
└─ 非齐次:y = 齐次通解 + 一个特解 y*

核心定义与定理#

一阶线性方程的通解公式

y′+P(x)y=Q(x)⟹ y=e−∫Pdx[∫Q(x)e∫Pdxdx+C].
◆方法公式怎么记

三步:先算积分因子 μ=e∫Pdx,方程两边乘 μ 后左边变成 (μy)′,再积分。

忘了公式就现推,比背错强。关键是 P、Q 都要是 x 的函数,且方程必须先化成标准形(y′ 的系数为 1)。

二阶常系数齐次方程

特征方程 r2+pr+q=0 的根决定通解形式:

判别式根通解
Δ>0两个不等实根 r1,r2C1er1x+C2er2x
Δ=0二重根 r(C1+C2x)erx
Δ<0α±βieαx(C1cosβx+C2sinβx)

非齐次方程的特解形式

右端 f(x)=Pm(x)eλx 时,设

y∗=xkQm(x)eλx,

其中 k 是 λ 作为特征根的重数(不是根取 k=0,单根取 k=1,二重根取 k=2)。

右端 f(x)=eαx[Pl(x)cosβx+Qn(x)sinβx] 时,设

y∗=xkeαx[Rm(x)cosβx+Sm(x)sinβx],m=max(l,n),

k 由 α±βi 是否为特征根决定(是则 k=1,否则 k=0)。

重难点#

★重难点先识别类型,再动笔

拿到方程先问三个问题:

  1. 能分离变量吗?(y′=f(x)g(y) 的形式)
  2. 是齐次方程吗?(右端只含 y/x 的组合)
  3. 是一阶线性吗?(y′ 与 y 都是一次的)

三类都不是,才考虑变量代换或降阶。类型判断错了,后面全是白算。

★重难点特解形式中的 xk:重根才乘 x

这是非齐次方程最大的坑。λ 恰好是特征根时,直接设 Aeλx 会与齐次解重复,导致方程无解(代进去系数全消)。

规则:λ 是 k 重特征根,就乘 xk。做题时先解特征方程,再对照 λ。

★重难点通解中任意常数的个数必须等于阶数

一阶方程一个 C,二阶方程两个 C1,C2。若算出的通解常数个数不对,说明积分过程中漏解或合并错误。

另外,分离变量时除以 g(y) 可能丢掉 g(y)=0 的特解,要单独检查。

易错点#

⚠易错点一阶线性方程没化成标准形就套公式

xy′+y=x2 必须先写成 y′+1xy=x,此时 P=1x、Q=x。直接拿 P=y 的系数(这里是 1)代入是错的。

⚠易错点分离变量时丢掉 y=0 这类解

dyy=f(x)dx 这一步默认了 y≠0。若 y=0 也是解,必须补充说明,否则通解不完整。

⚠易错点初始条件代入太早

必须先求出通解(含全部任意常数),再代入初始条件定常数。在中间步骤代入会漏掉另一个常数。

⚠易错点特征根是复数时写成实根形式

r2+1=0 的根是 ±i,通解是 C1cosx+C2sinx,不是 C1eix+C2e−ix(虽然等价,但考试要求实值形式)。

典型例题#

✎例题例 1|可分离变量

求 y′=2xy 满足 y(0)=1 的特解。

解:分离变量:dyy=2xdx(y≠0)。

两边积分:ln|y|=x2+C1,即 y=Cex2。

代入 y(0)=1 得 C=1,故 y=ex2。

点评:y=0 也是原方程的解,但它不满足初始条件,故不影响本题结论——这个检查在解答里写一句更严谨。

✎例题例 2|一阶线性

求 y′+y=e−x 的通解。

解:标准形已满足,P=1,Q=e−x。积分因子 e∫Pdx=ex。由公式

y=e−x[∫e−x⋅exdx+C]=e−x(x+C).

点评:也可以两边乘 ex 得 (exy)′=1,直接积分。两种做法本质相同,后者更快。

✎例题例 3|二阶齐次(相异实根)

求 y′′−3y′+2y=0 的通解。

解:特征方程 r2−3r+2=0,即 (r−1)(r−2)=0,根为 r1=1,r2=2。

y=C1ex+C2e2x.

点评:先因式分解再求根,比套求根公式快。检验方法:把 ex、e2x 分别代回原方程,应恒为 0。

✎例题例 4|二阶非齐次(λ 不是特征根)

求 y′′−3y′+2y=e3x 的一个特解。

解:λ=3 不是特征根(特征根为 1、2),故设 y∗=Ae3x。

代入:9Ae3x−9Ae3x+2Ae3x=2Ae3x=e3x,得 A=12。

故 y∗=12e3x。

点评:若右端改成 ex,因 λ=1 是单根,特解要设成 Axex——这就是「重根乘 x」的由来。

自测清单#