最简单的常微分方程:变量分离微分方程

常微分方程是微积分方程中常见且应用广泛的方程。这里我们将讨论常微分方程中最简单的变量分离微分方程。设一阶微分方程为:

其中f(x,y)是给定的函数,我们的工作是求微分方程y=y(x)的解,但一般用初等方法是解不出来的。

这个微分方程,但是当微分方程右端f(x,y)取一些特殊类型时,可以用初等积分法求解。本文讲的是一个重要的特殊情况。

至此,开篇段落中的微分方程变成了

这样的方程叫做变量分离方程。例如,下面的图都是变量分离的方程,

对于分离变量的方程,可以用初等积分法求其解。为了简单掌握变量分离方程的解法,我们特分两步讨论。假设g(y)是常数,设g(y)=1,那么微分方程就变成了

为了对其积分,我们假设函数h(x)在区间A内,其中O是任意常数。为了确定通解的任意常数O,需要附加初始条件。

这里,y0是任意给定的初始值。为了从通解中找到满足初始条件的解,设x=x0,得到y(x0)=O,从而确定O=y0,从而得到

假设g(y)不是常数。此时微分方程右端与未知数Y有关,所以不能像上面说的那样直接用不定积分求解。我们需要克服这个困难,所以假设y=y(x)是开篇段落中微分方程的一个解,即它满足

并且如果g(y)不等于0,那么上面的等式可以写成

这样,自变量X和未知数Y就彼此分开了,所以我们可以对方程进行不定积分

其中,和分别是固定的积分下限,O是任意常数,因此

那么这个等式就变成了

从上面的讨论我们知道微分方程y=y(x)的解满足隐函数方程G(y)=B(x) O上面是常微分方程中最简单的可分离变量方程,非常简单。

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