神代綺凛

常微分复习提纲
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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2019/01

常微分复习提纲

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

Head Pic: 【Fate/GrandOrder】「何だかんだ仲がいい」/「翠月 琉」のイラスト [pixiv]

常微分

第一章 绪论

0dx=C1dx=x+Cxadx=xa+1a+1+C (a1,x>0)1xdx=ln|x|+Caxdx=axlna+C (a>0,a1)cosaxdx=1asinax+C (a0)sinaxdx=1acosax+C (a0)dx1x2=arcsinx+C=arccosx+Cdx1+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

  1. 可以直接变量分离dydx=f(x)g(y)
  2. 齐次方程 dydx=g(yx),用变量代换将其转变为变量分离方程
  3. 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=xαY=yβ,即可化为齐次方程

2.2 线性方程与常数变易法

  1. 齐次线性方程 dydx=P(x)y 直接变量分离得通解 y=ceP(x)dx

  2. 非齐次线性方程 dydx=P(x)y+Q(x)

    • 先求得齐次解 y=ceP(x)dx,然后假设有形式解 y=c(x)eP(x)dx,并带回原式解出 c(x)

    • 直接通解公式 y=eP(x)dx(Q(x)eP(x)dxdx+˜c)
  3. 伯努利方程 dydx=P(x)y+Q(x)yn (n0,1)
    • 将方程各项乘以 yn,然后令 z=y1n,则 dzdx=(1n)P(x)z+(1n)Q(x)
    • 直接通解公式 y1n=e(1n)P(x)dx((1n)Q(x)e(1n)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 My=Nx,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)dydu(x,y),通解为 u(x,y)=c

通解公式 u=M(x,y)x+[N(x,y)yM(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

  1. 观察法:利用已知的或熟悉的微分式的原函数求积分因子
  2. 公式法:积分因子必定满足 (μM)y=(μN)x
    1. 如果积分因子只与 x 有关 1N(MyNx)=φ(x),此时 μ(x,y)=eφ(x)dx
    2. 如果积分因子只与 y 有关 1M(MyNx)=ψ(y),此时 μ(x,y)=eψ(y)dy
  3. 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

  1. y=f(x,dydx)

    dydx=p,则方程可参数化 {x=xy=py=f(x,p)

    y=f(x,p) 代入到 dy=pdx,得 fxdx+fpdp=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)
  2. x=f(y,dydx)

    dydx=p,然后两边同时对 y 求导 1p=fy+fpdpdy

    • 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

  1. 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=dydxdy=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

  2. 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=dydxdx=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)

    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:|xx0|a ,|yy0|b

若存在常数 L>0 满足 |f(x,y1)f(x,y2)|L|y1y2| ,(x,y1) ,(x,y2)R

则称 f(x,y)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

f(x,y)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 |xx0|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

F(x,y,y)(x0,y0,y0) 的某邻域中对 (x,y,y) 连续且存在连续偏导数,同时 F(x0,y0,y0)=0 ,yF(x0,y0,y0)0

则方程 F(x,y,y) 存在唯一解 y=φ(x) ,φ(x0)=y0 ,φ(x0)=y0

3.2 解的延拓

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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

  1. n 阶线性微分方程

    • (非齐次)x(n)+a1(t)x(n1)++an1(t)x+an(t)x=f(t)
    • (齐次)x(n)+a1(t)x(n1)++an1(t)x+an(t)x=0
  2. 朗斯基行列式(函数 xi(t) (i=1,,k) 在区间 atb 可微 k1 次)

    W(t)=W[x1(t),x2(t),,xk(t)]=|x1(t)x2(t)xk(t)x1(t)x2(t)xk(t)x(k1)1(t)x(k1)2(t)x(k1)k(t)|

  3. 线性相关

    c1x1(t)+c2x2(t)++ckxk(t)0ci 不全为零)

    否则称为线性无关

  4. 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

  1. 存在唯一性

  2. 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

  3. 定理:若函数 x1(t),x2(t),,xn(t) 在区间 atb 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)

  4. 齐次线性方程的基本解组朗斯基行列式恒不为零

  5. 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

  1. 存在唯一性

  2. 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

    x1(t) ,x2(t) 均为“非齐次”的解,则 x1(t)x2(t) 是“齐次”的解

  3. 通解结构

    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)

  4. 常数变易法

    已知“齐次”的一个基本解组 x1(t),x2(t),,xn(t)

    {x1(t)c1(t)+x2(t)c2(t)++xn(t)cn(t)=0x1(t)c1(t)+x2(t)c2(t)++xn(t)cn(t)=0x(n1)1(t)c1(t)+x(n1)2(t)c2(t)++x(n1)n(t)cn(t)=0

    解出所有 ci(t) 并得到 ci(t) 后可得解 x=ni=1γixi(t)+ni=1xi(t)ci(t)

4.2 常系数线性微分方程

复值函数和复值解

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=αiβK 的共轭复数,有 e¯Kt=¯eKt

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常系数齐次线性方程的特征方程

L[x]x(n)+a1x(n1)++an1x+anx=0x=eλt 带入

可得到特征方程 F(λ)λn+a1λn1++an1λ+an=0

  1. λk 重实根时,方程有 k 个解 tjeλt (j=0,1,2,,k1)

    eλt,teλt,t2eλt,,tk1eλt

  2. λ=α±iβk/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/21)

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)+a1xn1y(n1)++an1xy+any=0

核心思想:引进自变量变换 x=ett=ln|x| 可化为常系数齐次线性微分方程 y(n)+b1y(n1)++bn1y+bny=0

解法

  1. 求特征方程 F(k) 的特征根

    F(k)=k(k1)(kn+1)+a1k(k1)(kn+2)++an1k+an

  2. 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

  3. 得到原方程通解

常系数非齐次线性方程的比较系数法

1547278161194.png

1547278172896.png

4.3 高阶方程降阶法

可降阶

  1. 方程不含未知函数 x,形如 F(t,x(k),x(k+1),,x(n))=0 (1kn),则令 y=x(k),可降 k

    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

  2. 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)=yn1dn1ydxn1 全部带入原方程,分离变量,可得原方程解

  3. 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

    • 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)

  1. 如果 \boldsymbol{f}(t)\ne0 则为非齐次线性的,\boldsymbol{f}(t)\equiv0 则为齐次线性

    \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}

  2. 线性相关

    c_1\boldsymbol x_1(t)+c_2\boldsymbol x_2(t)+\cdots+c_m\boldsymbol x_m(t)\equiv0c_m 不全为零)

    否则它们(向量函数)线性无关

  3. 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)

    \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}

  1. 存在唯一性

  2. 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

  3. 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

  4. 通解结构

    \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

  5. 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

  1. 存在唯一性

  2. \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

    \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

  3. 通解结构

    \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

  4. 常数变易法

5.3 常系数线性微分方程组

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22 comments

  1. yukino  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 77.0.3865.90(Google Chrome 77.0.3865.90)
    one note 咋手打公式鸭 |´・ω・)ノ
    1. 神代綺凜  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 77.0.3865.90(Google Chrome 77.0.3865.90)
      @yukino 不用 one note,不清楚
  2. 雷德菲尔德  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 73.0.3683.86(Google Chrome 73.0.3683.86)
    常微分其实大部分记好公式套就行了OωO
    1. 神代綺凜  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 73.0.3683.86(Google Chrome 73.0.3683.86)
      @雷德菲尔德 不提了,反正老师已经抬了一手过了(
    2. 雷德菲尔德  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 73.0.3683.86(Google Chrome 73.0.3683.86)
      @雷德菲尔德 突然想知道我这头像是怎么回事??我没有上传呀2333就是我qq头像
      1. 神代綺凜  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 73.0.3683.86(Google Chrome 73.0.3683.86)
        @雷德菲尔德 头像是因为有 qlogo api
  3. Mikusa  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 73.0.3683.86(Google Chrome 73.0.3683.86)
    大学数学
    1. 神代綺凜  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 73.0.3683.86(Google Chrome 73.0.3683.86)
  4. valex  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)
    你的数学公式是怎么打的,手打吗?
    1. 神代綺凜  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)
      @valex 是的,Latex 公式
      1. valex  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)
        @神代綺凜 看来是得学学了,公式编辑器用的我头疼
  5. Cloud.Sir  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)
    从小就佩服数学好的人,我爸说数学好的人脑子好使。我就不行,初中数学120的题最低考过29分。纯纯的学渣一枚。当然了无缘高中。不过条条大路通罗马,我是不会在学习的道路上停止脚步的,数学不行不代表我计算机方面差的 cloud-sir.top
    ----- 一枚00后
  6. Hakula  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)
    大佬 tql... orz(一位数学辣鸡路过
    1. 神代綺凜  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)
      @Hakula 不啊,这学期常微分D过的
      1. Hakula  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)
        @神代綺凜 数学太难了
  7. 神代綺凜  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)
    所以去年我挂了啊
    1. zz  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 78.0.3904.87(Google Chrome 78.0.3904.87)
      1. 神代綺凜  Mac OS X 10.14.6(Mac OS X 10.14.6) / Google Chrome 78.0.3904.87(Google Chrome 78.0.3904.87)
        @zz
  8. xunco  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)
    欸,新域名不错OωO
    1. 神代綺凜  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)
      @xunco 那是
  9. Issacc  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)
    哈哈哈哈,沙发!|´・ω・)ノ
    1. 神代綺凜  Windows 10 x64 Edition(Windows 10 x64 Edition) / Google Chrome 71.0.3578.98(Google Chrome 71.0.3578.98)