去年刚挂的科,重修时为努力复习所写的提纲,不说了,大学数学一生黑
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常微分
第一章 绪论
∫0dx=C∫1dx=x+C∫xadx=xa+1a+1+C (a≠−1,x>0)∫1xdx=ln|x|+C∫axdx=axlna+C (a>0,a≠1)∫cosaxdx=1asinax+C (a≠0)∫sinaxdx=−1acosax+C (a≠0)∫dx√1−x2=arcsinx+C=−arccosx+C′∫dx1+x2=arctanx+C=−arccotx+C′
第二章 一阶微分方程的初等解法
2.1 变量分离方程与变量变换
- 可以直接变量分离的 dydx=f(x)g(y)
- 齐次方程 dydx=g(yx),用变量代换将其转变为变量分离方程
-
分式线性方程 dydx=a1x+b1y+c1a2x+b2y+c2
-
如果 a1a2=b1b2=k,则用变量代换转变为变量分离方程
- 否则先联立求解 {a1x+b1y+c1=0a2x+b2y+c2=0,再代换 {X=x−αY=y−β,即可化为齐次方程
-
2.2 线性方程与常数变易法
-
齐次线性方程 dydx=P(x)y 直接变量分离得通解 y=ce∫P(x)dx
-
非齐次线性方程 dydx=P(x)y+Q(x)
-
先求得齐次解 y=ce∫P(x)dx,然后假设有形式解 y=c(x)e∫P(x)dx,并带回原式解出 c(x)
- 直接通解公式 y=e∫P(x)dx(∫Q(x)e−∫P(x)dxdx+˜c)
-
- 伯努利方程 dydx=P(x)y+Q(x)yn (n≠0,1)
- 将方程各项乘以 y−n,然后令 z=y1−n,则 dzdx=(1−n)P(x)z+(1−n)Q(x)
- 直接通解公式 y1−n=e∫(1−n)P(x)dx(∫(1−n)Q(x)e−∫(1−n)P(x)dxdx+˜c)
2.3 恰当方程与积分因子
恰当方程
将一阶微分方程写成对称形式 M(x,y)dx+N(x,y)dy=0
如果此时有 ∂M∂y=∂N∂x,则该方程为恰当方程,并且可以表示为某函数 u(x,y) 的全微分 M(x,y)dx+N(x,y)dy≡du(x,y),通解为 u(x,y)=c
通解公式 u=∫M(x,y)∂x+∫[N(x,y)−∂∂y∫M(x,y)∂x]dy
积分因子
如果存在非零连续可微函数 μ(x,y) 使得 μ(x,y)M(x,y)dx+μ(x,y)N(x,y)dy=0 为恰当方程,则称 μ(x,y) 是方程的一个积分因子,此时可按照恰当方程来求解
- 观察法:利用已知的或熟悉的微分式的原函数求积分因子
- 公式法:积分因子必定满足 ∂(μM)∂y=∂(μN)∂x
- 如果积分因子只与 x 有关 1N(∂M∂y−∂N∂x)=φ(x),此时 μ(x,y)=e∫φ(x)dx
- 如果积分因子只与 y 有关 −1M(∂M∂y−∂N∂x)=ψ(y),此时 μ(x,y)=e∫ψ(y)dy
- 分组组合法
2.4 一阶隐式微分方程及其参数表示
能解出 y 或 x 的方程
-
y=f(x,dydx)
令 dydx=p,则方程可参数化 {x=xy′=py=f(x,p)
把 y=f(x,p) 代入到 dy=pdx,得 ∂f∂xdx+∂f∂pdp=pdx,求解之
- 若得到 p=φ(x,c),则代回 y=f(x,p) 即得通解
- 若得到 x=ψ(p,c),则通解 {x=ψ(p,c)y=f(ψ(p,c),p)
- 若得到 ϕ(x,p,c)=0,则通解 {ϕ(x,p,c)=0y=f(x,p)
-
x=f(y,dydx)
令 dydx=p,然后两边同时对 y 求导 1p=∂f∂y+∂f∂pdpdy
- 若得到 p=φ(y,c),则代回 x=f(y,p) 即得通解
- 若得到 ϕ(y,p,c)=0,则通解 {x=f(y,p)ϕ(y,p,c)=0
不显含 y 或 x 的方程
-
F(x,y′)=0
引入变换 x=φ(t)(或 y′=ψ(t)),带入原方程可以得到 y′=ψ(t)(或 x=φ(t))
y′=dydx⇒dy=ψ(t)dx=ψ(t)dφ(t)=ψ(t)φ′(t)dt
积分之,得到通解 {x=φ(t)y=∫ψ(t)φ′(t)dt+c
-
F(y,y′)=0
引入变换 y=φ(t)(或 y′=ψ(t)),带入原方程可以得到 y′=ψ(t)(或 y=φ(t))
y′=dydx⇒dx=dyψ(t)=dφ(t)ψ(t)=φ′(t)ψ(t)dt
积分之,得到通解 {x=∫φ′(t)ψ(t)dt+cy=φ(t)
若 F(y,0)=0 有实根 y=k,则 y=k 也是方程的解
第三章 一阶微分方程的解的存在定理
3.1 解的存在唯一性定理与逐步逼近法
利普希茨条件
微分方程 dydx=f(x,y) ,R:|x−x0|≤a ,|y−y0|≤b
若存在常数 L>0 满足 |f(x,y1)−f(x,y2)|≤L|y1−y2| ,(x,y1) ,(x,y2)∈R
则称 f(x,y) 在 R 上关于 y 满足利普希茨条件,L 称为利普希茨常数
存在唯一性定理 1
若 f(x,y) 在 R 上连续且关于 y 满足利普希茨条件
则方程 dydx=f(x,y) 在区间 |x−x0|≤h 上存在唯一解 y=φ(x) ,φ(x0)=y0
其中 h=min(a,bM) ,M=max(x,y)∈R|f(x,y)|
存在唯一性定理 2
若 F(x,y,y′) 在 (x0,y0,y′0) 的某邻域中对 (x,y,y′) 连续且存在连续偏导数,同时 F(x0,y0,y′0)=0 ,∂∂y′F(x0,y0,y′0)≠0
则方程 F(x,y,y′) 存在唯一解 y=φ(x) ,φ(x0)=y0 ,φ′(x0)=y′0
3.2 解的延拓
第四章 高阶微分方程
4.1 线性微分方程的一般理论
基本概念
-
n 阶线性微分方程
- (非齐次)x(n)+a1(t)x(n−1)+⋯+an−1(t)x′+an(t)x=f(t)
- (齐次)x(n)+a1(t)x(n−1)+⋯+an−1(t)x′+an(t)x=0
-
朗斯基行列式(函数 xi(t) (i=1,⋯,k) 在区间 a≤t≤b 可微 k−1 次)
W(t)=W[x1(t),x2(t),⋯,xk(t)]=|x1(t)x2(t)⋯xk(t)x′1(t)x′2(t)⋯x′k(t)⋮⋮⋮x(k−1)1(t)x(k−1)2(t)⋯x(k−1)k(t)|
-
线性相关
c1x1(t)+c2x2(t)+⋯+ckxk(t)≡0(ci 不全为零)
否则称为线性无关
-
基本解组
n 阶齐次线性方程组的一组 n 个线性无关解
齐次线性方程
-
存在唯一性
-
叠加原理:方程的 k 个解的线性组合 c1x1(t)+c2x2(t)+⋯+ckxk(t) 也是方程的解
-
定理:若函数 x1(t),x2(t),⋯,xn(t) 在区间 a≤t≤b 上线性相关(或无关),则该区间上他们的朗斯基行列式恒等于零(或恒不为零)
-
齐次线性方程的基本解组的朗斯基行列式恒不为零
-
通解结构
设齐次线性方程有基本解组 x1(t),x2(t),⋯,xn(t)
则通解可表示为 x=c1x1(t)+c2x2(t)+⋯+cnxn(t)
非齐次线性方程
-
存在唯一性
-
若 x(t) ,¯x(t) 分别为“非齐次”与“齐次”的解,则 x(t)+¯x(t) 也是“非齐次”的解
若 x1(t) ,x2(t) 均为“非齐次”的解,则 x1(t)−x2(t) 是“齐次”的解
-
通解结构
设 x1(t),x2(t),⋯,xn(t) 是“齐次”的一个基本解组,¯x(t) 是“非齐次”的一个特解
则通解 x=c1x1(t)+c2x2(t)+⋯+cnxn(t)+¯x(t)
-
常数变易法
已知“齐次”的一个基本解组 x1(t),x2(t),⋯,xn(t) 时
{x1(t)c′1(t)+x2(t)c′2(t)+⋯+xn(t)c′n(t)=0x′1(t)c′1(t)+x′2(t)c′2(t)+⋯+x′n(t)c′n(t)=0⋮x(n−1)1(t)c′1(t)+x(n−1)2(t)c′2(t)+⋯+x(n−1)n(t)c′n(t)=0
解出所有 c′i(t) 并得到 ci(t) 后可得解 x=n∑i=1γixi(t)+n∑i=1xi(t)ci(t)
4.2 常系数线性微分方程
复值函数和复值解
设 α,β 为实数,t 为实变量,则 K=α+iβ 为复数
复指数函数定义为 eKt=e(α+iβ)t=eαt(cosβt+isinβt)
¯K=α−iβ 为 K 的共轭复数,有 e¯Kt=¯eKt
常系数齐次线性方程的特征方程
L[x]≡x(n)+a1x(n−1)+⋯+an−1x′+anx=0 用 x=eλt 带入
可得到特征方程 F(λ)≡λn+a1λn−1+⋯+an−1λ+an=0
-
λ 为 k 重实根时,方程有 k 个解 tjeλt (j=0,1,2,⋯,k−1)
eλt,teλt,t2eλt,⋯,tk−1eλt
-
λ=α±iβ 为 k/2 重共轭复根时,方程有 k/2 对共轭复值解,也就是一共 k 个复值解
每对为 tjeαtcosβt,tjeαtsinβt (j=0,1,2,⋯,k/2−1)
得到基本解组 x1,x2,⋯,xk 后,可写出通解 x(t)=c1x1+c2x2+⋯+ckxk
欧拉方程
对于欧拉方程 xny(n)+a1xn−1y(n−1)+⋯+an−1xy′+any=0
核心思想:引进自变量变换 x=et 或 t=ln|x| 可化为常系数齐次线性微分方程 y(n)+b1y(n−1)+⋯+bn−1y′+bny=0
解法:
-
求特征方程 F(k) 的特征根
F(k)=k(k−1)⋯(k−n+1)+a1k(k−1)⋯(k−n+2)+⋯+an−1k+an
-
得到基本解组,然后使用 t=ln|x| 变换得到原方程的基本解组
- 得到原方程通解
常系数非齐次线性方程的比较系数法
4.3 高阶方程降阶法
可降阶
-
方程不含未知函数 x,形如 F(t,x(k),x(k+1),⋯,x(n))=0 (1≤k≤n),则令 y=x(k),可降 k 阶
求得降阶后方程的通解后,逐次积分 k 次即可得到原方程通解
-
方程不含自变量 t,形如 F(x,x′,⋯,x(n))=0,令 y=x′,可降低1阶
x(n)=yn−1dn−1ydxn−1 全部带入原方程,分离变量,可得原方程解
-
齐次线性方程已知 k 个线性无关的非零特解 x1,x2,⋯,xk,可降低 k 阶
-
特别地,对于二阶齐次线性方程 x″,已知非零特解 x_1
通解为 \displaystyle x=x_1[c_1+c_2\int{\frac{1}{x_1^2}e^{-\int{p(t)}dt}}dt]
-
二阶线性方程的幂级数解(求特解)
看不懂,这分我不要了(
第五章 线性微分方程组
5.1 存在唯一性定理
\begin{cases}x_1'=a_{11}(t)x_1+a_{12}(t)x_2+\cdots+a_{1n}(t)x_n+f_1(t)\\x_2'=a_{21}(t)x_1+a_{22}(t)x_2+\cdots+a_{2n}(t)x_n+f_2(t)\\\quad\vdots\\x_n'=a_{n1}(t)x_1+a_{n2}(t)x_2+\cdots+a_{nn}(t)x_n+f_n(t)\end{cases}
n 阶线性微分方程组:\boldsymbol{x}'=\boldsymbol{A}(t)\boldsymbol{x}+\boldsymbol{f}(t)
\boldsymbol{x}=(x_1,x_2,\cdots,x_n)^T\ ,\boldsymbol{A}(t)=[a_{ij}(t)]\ ,\boldsymbol{f}(t)=(f_1(t),f_2(t),\cdots,f_n(t))^T
初值问题:\boldsymbol{x}(t_0)=\boldsymbol{\eta}
x^{(n)}+a_1(t)x^{(n-1)}+\cdots+a_{n-1}x'+a_n(t)x=f(t)
x(t_0)=\eta_1,x'(t_0)=\eta_2,\cdots,x^{(n-1)}(t_0)=\eta_n
5.2 一般理论
基本概念
\displaystyle\frac{d\boldsymbol{x}}{dt}=\boldsymbol{x}'=\boldsymbol{A}(t)\boldsymbol{x}+\boldsymbol{f}(t)
-
如果 \boldsymbol{f}(t)\ne0 则为非齐次线性的,\boldsymbol{f}(t)\equiv0 则为齐次线性的
若 \boldsymbol{A}(t) 为常数矩阵,则称为常系数线性方程组
\boldsymbol{x}'=\boldsymbol{A}(t)\boldsymbol{x}\ \Rightarrow\ \boldsymbol{x}'=\boldsymbol{A}\boldsymbol{x}
-
线性相关
c_1\boldsymbol x_1(t)+c_2\boldsymbol x_2(t)+\cdots+c_m\boldsymbol x_m(t)\equiv0(c_m 不全为零)
否则它们(向量函数)线性无关
-
基本解组
n 维一阶齐次线性方程组的一组 n 个线性无关解 \boldsymbol x_1(t),\boldsymbol x_2(t),\cdots,\boldsymbol x_n(t) 组成的矩阵 \boldsymbol\phi(t)
当 \boldsymbol\phi(0)=\boldsymbol E(单位矩阵)时称基本解组为标准的
齐次线性方程组
\boldsymbol{x}'=\boldsymbol{A}(t)\boldsymbol{x}
-
存在唯一性
-
叠加原理
方程组的 k 个解 \boldsymbol x_1(t),\boldsymbol x_2(t),\cdots,\boldsymbol x_k(t) 的线性组合 c_1\boldsymbol x_1(t)+c_2\boldsymbol x_2(t)+\cdots+c_k\boldsymbol x_k(t) 也是方程的解,其中 c_i 为任意常数
-
如果向量函数 \boldsymbol x_1(t),\boldsymbol x_2(t),\cdots,\boldsymbol x_n(t) 在某区间上线性相关(或无关),则他们的朗斯基行列式恒为零(或恒不为零)
齐次线性方程组的基本解组的朗斯基行列式恒不为零
-
通解结构
设 \boldsymbol\phi(t) 是齐次线性方程组的一个基本解组,则通解可以表示为
\boldsymbol{x}=\boldsymbol{\phi}(t)\boldsymbol{c}\equiv c_1\boldsymbol x_1(t)+c_2\boldsymbol x_2(t)+\cdots+c_n\boldsymbol x_n(t)
其中 \boldsymbol{c}=(c_1,c_2,\cdots,c_n)^T 为任意常向量
-
齐次线性方程组的 n 个解 \boldsymbol x_1(t),\boldsymbol x_2(t),\cdots,\boldsymbol x_n(t) 组成基本解组 \boldsymbol\phi(t) 的充要条件为 \det\boldsymbol\phi(t)\ne0
齐次线性方程组的两个基本解组 \boldsymbol\phi(t),\boldsymbol\psi(t) 必有关系
\boldsymbol\phi(t)=\boldsymbol\psi(t)\boldsymbol C\ (a\le t\le b)\ ,\det\boldsymbol C\ne0
非齐次线性方程组
-
存在唯一性
-
若 \boldsymbol x(t)\ ,\widetilde{\boldsymbol x}(t) 分别为“非齐次”与“齐次”的解,则 \boldsymbol x(t)+\widetilde{\boldsymbol x}(t) 也是“非齐次”的解
若 \boldsymbol x_1(t)\ ,\boldsymbol x_2(t) 均为“非齐次”的解,则 \boldsymbol x_1(t)-\boldsymbol x_2(t) 是“齐次”的解
-
通解结构
设 \boldsymbol{\phi}(t) 是“齐次”的一个基本解组,\widetilde{\boldsymbol x}(t) 是“非齐次”的某一特解,则通解可表示为
\boldsymbol{x}=\boldsymbol{\phi}(t)\boldsymbol{c}+\widetilde{\boldsymbol x}(t) 其中 \boldsymbol{c} 为任意 n 维向量
- 常数变易法
5.3 常系数线性微分方程组
看不懂,这分我不要了 QAQ
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