常微分方程(Ordinary Differential Equation I)
常微分方程(Ordinary Differential Equation II)
常微分方程(Ordinary Differential Equation III)

微分方程基本概念

微分方程 :包含未知函数及其导数的方程叫做 微分方程 (Differential Equation)。未知函数导数的最高阶数称为该 微分方程的阶 (order)。

  1. 常微分方程(ODE) :若未知函数是一元函数的微分方程称为常微分方程(Ordinary Differential Equation, ODE) 。
    一般的 n 阶常微分方程 的形式(也称隐式表达式)为
    u+x\cfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}=φ(u) \implies \cfrac{\mathrm{d}u}{φ(u)-u}=\cfrac{\mathrm{d}x}{x} u + x d x d u = φ ( u ) φ ( u ) u d u = x d x
    得到可分离变量的微分方程,求隐式通解即可。

    齐次方程等价形式 :微分方程
    d x d y = Q ( 1 , y / x ) P ( 1 , y / x ) = φ ( x y )
    方程化为了齐次方程标准形式,齐次二字来源于齐次函数的定义,所以与齐次线性方程中的齐次不同。

    可化为齐次的类型 I
    \displaystyle y=e^{-\int P(x)\mathrm{d}x}[\int Q(x)e^{-\int P(x)\mathrm{d}x}\mathrm{d}x+C] y = e P ( x ) d x [ Q ( x ) e P ( x ) d x d x + C ]

    伯努利方程 :形如
    d x d y = P ( x ) y 2 + Q ( x ) y + R ( x )
    的微分方程称为 里卡蒂方程 (Riccati equation)。

    这是形式上最简单的非线性方程,由十七世纪意大利数学家黎卡提提出来的,在1841年法国数学家刘维尔证明了黎卡提方程一般没有初等解法,即其解不能用初等函数以及初等函数的积分来表示。
    但在特殊情况下,是可以求解的。

    若已知黎卡提方程的一个特解,则该方程可以求解。
    \begin{aligned} \cfrac{dy}{dx} &= \cfrac{dz}{dx}+\cfrac{d\tilde y}{dx}=P(x)(z+\tilde y)^2+Q(x)(z+\tilde y)+R(x)\\ &=P(x)z^2+2P(x)\tilde yz+Q(x)z+P(x)\tilde y^2+Q(x)\tilde y+R(x) \end{aligned} d x d y = d x d z + d x d y ~ = P ( x ) ( z + y ~ ) 2 + Q ( x ) ( z + y ~ ) + R ( x ) = P ( x ) z 2 + 2 P ( x ) y ~ z + Q ( x ) z + P ( x ) y ~ 2 + Q ( x ) y ~ + R ( x )
    由于 \cfrac{∂P}{∂y}=\cfrac{∂}{∂y}(\cfrac{∂F}{∂x})=\cfrac{∂^2F}{∂x∂y},\quad \cfrac{∂Q}{∂x}=\cfrac{∂}{∂x}(\cfrac{∂F}{∂y})=\cfrac{∂^2F}{∂y∂x} y P = y ( x F ) = x y 2 F , x Q = x ( y F ) = y x 2 F
    由P 和Q 具有连续一阶偏导数,可知上述混合偏导数连续且相等,因此必有 \begin{aligned} \cfrac{∂}{∂x}\left[Q-\cfrac{∂}{∂y}\int P(x,y)dx\right] &= \cfrac{∂Q}{∂x}-\cfrac{∂}{∂x}\left[\cfrac{∂}{∂y}\int P(x,y)dx\right] \\ &= \cfrac{∂Q}{∂x}-\cfrac{∂}{∂y}\left[\cfrac{∂}{∂x}\int P(x,y)dx\right] \\ &= \cfrac{∂Q}{∂x}- \cfrac{∂P}{∂y} \equiv 0 \end{aligned} x [ Q y P ( x , y ) d x ] = x Q x [ y P ( x , y ) d x ] = x Q y [