常微分方程机敏问答[2] #20210619

  • 一阶线性ODE
    • 答案
  • 换元法
    • 答案
  • 积分因子法
    • 答案
  • 应用举例
    • 答案

本专栏主要作个人复习自测,有相关知识预备的同学也可作复习用。不保证无相应基础的人士能看明白。
万一考试考到了,或者对你的学习有较大帮助,一键三连不过分吧(斜眼笑)

一阶线性ODE

  1. 一阶齐次线性ODE的解如果有一点等于0,则()(注:可以通过解的唯一性和通解的表达式说明)。这与非齐次方程中解的唯一性有何联系?请验证Dy:=dy/dx+p(x)yDy:= dy/dx+p(x)yDy:=dy/dx+p(x)y中的DDD是线性算子,即D(ay+bz)=aDy+bDzD(ay+bz)=aDy+bDzD(ay+bz)=aDy+bDz.
  2. 若y′+p(x)y=q(x)y'+p(x)y=q(x)y′+p(x)y=q(x)中p,qp,qp,q都是周期为TTT的函数,已知非齐次方程解f(x)f(x)f(x),那么f(x+T)f(x+T)f(x+T)也是解。这个结论和自治系统有何联系和区别?对f(0)=f(T)f(0)=f(T)f(0)=f(T)的情况,有什么结论?(提示:现在知道了两个非齐次方程的解,你想做什么?)
  3. 若1.中q(x)=0q(x)=0q(x)=0,请直接由通解的形式得到方程非零解以TTT为周期的充要条件。
  4. 利用2.,当q(x)q(x)q(x)不恒为0时,如果有两个不同的TTT周期解,则有什么结论?
  5. 由于通解公式中出现e−∫pdxe^{-\int pdx}e−∫pdx,所以把tanx,1/(1−x2)tanx,1/(1-x^2)tanx,1/(1−x2)等函数作为ppp就成了出题的合理选择。请背诵上述两者的不定积分。
  6. 将y′=1/cosy+xtanyy'=1/cosy+xtanyy′=1/cosy+xtany换元化为一阶线性ODE. 3xy2y′+y3+x33xy^2y'+y^3+x^33xy2y′+y3+x3除了直接用u=y3,u′=3y2y′u=y^3,u'=3y^2y'u=y3,u′=3y2y′换元外,还可以化成什么样的一阶线性ODE?(写出一种)
  7. 简述一阶线性ODE的积分因子解法怎么推广到不等式的证明。
  8. fff在R\mathbb RR上有界时,e−x∫−∞xf(s)esds=∫0exf(lny)dy/exe^{-x}\int_{-\infty}^x f(s)e^sds=\int_{0}^{e^x}f(lny)dy/e^xe−x∫−∞x​f(s)esds=∫0ex​f(lny)dy/ex有界。为了考察这样的fff对应的y′+y=fy'+y=fy′+y=f的所有可能的有界解,我们可以把一阶线性ODE的通解公式改写为e−∫x1xp(s)ds(∫x0xq(s)e∫x1sp(t)dtds)e^{-\int_{x_1}^x p(s)ds}(\int_{x_0}^x q(s)e^{\int_{x_1}^s p(t)dt}ds)e−∫x1​x​p(s)ds(∫x0​x​q(s)e∫x1​s​p(t)dtds). 试解释之前的常数CCC体现在哪里了?

答案

  1. 该解恒为0. 注意两个非齐次方程的解相减等于一个齐次方程的解。
  2. 自治系统TTT可以为任何实数。提示:相减,得到f(0)=f(T)f(0)=f(T)f(0)=f(T)时fff为周期为TTT的周期函数。
  3. ppp在一个周期平均值为0.
  4. 一系列结论,比如:非齐次方程任意解都是周期解。(因为非齐次方程通解=齐次方程通解+非齐次方程特解)
  5. −ln∣cosx∣+C,12ln∣1+x1−x∣+C-ln|cosx|+C,\frac 12 ln|\frac{1+x}{1-x}|+C−ln∣cosx∣+C,21​ln∣1−x1+x​∣+C
  6. (siny)′=cosyy′(siny)'=cosyy'(siny)′=cosyy′提示我们两边乘cosycosycosy凑出(siny)′=xsiny+1(siny)'=xsiny+1(siny)′=xsiny+1. 这是一阶线性ODE.
    提示:对于u′+u/x+x2=0u'+u/x+x^2=0u′+u/x+x2=0直接解出u=Cx−∫x3dx/x=Cx−x34u=\frac Cx -\int x^3 dx/x=\frac Cx-\frac{x^3}4u=xC​−∫x3dx/x=xC​−4x3​,从而v=xy3+x44v=xy^3+\frac {x^4}4v=xy3+4x4​时我们有v′=0v'=0v′=0是一阶线性ODE.(当然,这个角度有点刁钻)
  7. 提示:凑全微分之后,以前是某表达式求导直接等于某确定的关于xxx的函数。如果改为某表达式求导大于等于0,则该表达式递增,可用于证明不等式。
  8. x0x_0x0​是待定常数(当然,x0x_0x0​取遍一切值时不一定得到所有的解)。注意x1x_1x1​没有本质影响。(思考:为什么?)

换元法

  1. 提取出y′=f(x+y)y'=f(x+y)y′=f(x+y)换元的核心思想(什么样的系统?)。并由此求解cosyy′+cosx=(siny+sinx+x)2cosyy'+cosx=(siny+sinx+x)^2cosyy′+cosx=(siny+sinx+x)2
  2. y′=f(y/x)y'=f(y/x)y′=f(y/x)和0.有什么异同?
  3. 什么叫关于x,yx,yx,y的mmm次齐次函数?为什么两个关于x,yx,yx,y的mmm次齐次函数之商能化为f(y/x)f(y/x)f(y/x)?
  4. 换元u=ax+b,v=cy+d,a≠0,c≠0u=ax+b,v=cy+d,a\neq 0,c\neq 0u=ax+b,v=cy+d,a​=0,c​=0时dv/dudy/dx=\frac{dv/du}{dy/dx}=dy/dxdv/du​=(),借此严格地求解y′=2y−x+52x−y−4y'=\frac{2y-x+5}{2x-y-4}y′=2x−y−42y−x+5​.(不需显式表达yyy)
  5. 刚才3.中你解出的解曲线没有显式表达yyy,请解释你如何保证线素场竖直的点被挖去。
  6. 换元x=AuB,y=CvDx=Au^B,y=Cv^Dx=AuB,y=CvD,可以给y′+p(x)y=q(x)y'+p(x)y=q(x)y′+p(x)y=q(x)造成什么效果?给y′+y2=xmy'+y^2=x^my′+y2=xm呢?给y′=x3+xy2+xx2y+y3+yy'=\frac{x^3+xy^2+x}{x^2y+y^3+y}y′=x2y+y3+yx3+xy2+x​呢?借此严格求解(x2+y2+3)y′=2x(2y−x2/y)(x^2+y^2+3)y'=2x(2y-x^2/y)(x2+y2+3)y′=2x(2y−x2/y).
  7. 回忆抛物线的光学性质,并解微分方程证明满足该光学性质的曲线是抛物线。

答案

  1. 一维自治系统u′=f(u)u'=f(u)u′=f(u).
  2. 都是化成f(g(x,y))f(g(x,y))f(g(x,y))再换元u=g(x,y)u=g(x,y)u=g(x,y),但u=x+yu=x+yu=x+y时,u′=1+y′=1+f(u)u'=1+y'=1+f(u)u′=1+y′=1+f(u)直接只和uuu有关了。y/xy/xy/x求导后虽然不只显含uuu,但是分子和分母都只显含一个变量。
    另外注意对于u=y/xu=y/xu=y/x,可能需要单独考虑x=0x=0x=0情况。
  3. P(tx,ty)=tmP(x,y)P(tx,ty)=t^mP(x,y)P(tx,ty)=tmP(x,y).
  4. c/ac/ac/a. u=x−1,v=y+2,vu′=2v−u2u−vu=x-1,v=y+2,v_u'=\frac{2v-u}{2u-v}u=x−1,v=y+2,vu′​=2u−v2v−u​
    r=v/u,ru′=v′u−vu2=f(r)−ru=2r−12−r−rur=v/u,r'_u=\frac{v'u-v}{u^2}=\frac{f(r)-r}{u}=\frac{\frac{2r-1}{2-r}-r}{u}r=v/u,ru′​=u2v′u−v​=uf(r)−r​=u2−r2r−1​−r​
    注:原始的方程等价于:在u≠0u\neq 0u​=0时dr/du=r2−1(2−r)udr/du=\frac{r^2-1}{(2-r)u}dr/du=(2−r)ur2−1​,且在u=0u=0u=0时满足原始方程
    因上述注,我们首先考虑曲线是原方程解的必要条件
    若解曲线上存在任何r=1,−1r=1,-1r=1,−1的点,则根据唯一性定理,这样的解只能是y=x−3(x≠1)y=x-3(x\neq1)y=x−3(x​=1)或y=−x−1(x≠1)y=-x-1(x\neq 1)y=−x−1(x​=1).
    否则du/u=(2−r)dr(r2−1)=(1.5−1.5r+0.5+0.5r)dr(r+1)(r−1)=−1.5drr+1+0.5drr−1,r≠2,1,−1du/u=\frac{(2-r)dr}{(r^2-1)}=\frac{(1.5-1.5r+0.5+0.5r)dr}{(r+1)(r-1)}=\frac{-1.5dr}{r+1}+\frac{0.5dr}{r-1},r\neq2,1,-1du/u=(r2−1)(2−r)dr​=(r+1)(r−1)(1.5−1.5r+0.5+0.5r)dr​=r+1−1.5dr​+r−10.5dr​,r​=2,1,−1
    ln∣u∣=−1.5ln∣r+1∣+0.5ln∣r−1∣+Cln|u|=-1.5ln|r+1|+0.5ln|r-1|+Cln∣u∣=−1.5ln∣r+1∣+0.5ln∣r−1∣+C
    ∣x−1∣=A∣y+2x−1+1∣−1.5∣y+2x−1−1∣0.5|x-1|=A|\frac{y+2}{x-1}+1|^{-1.5}|\frac{y+2}{x-1}-1|^{0.5}∣x−1∣=A∣x−1y+2​+1∣−1.5∣x−1y+2​−1∣0.5
    1=A∣y+x+1∣−1.5∣y−x+3∣0.5,2x−y−4≠0,y+x+1≠0,y−x+3≠0,A>01=A|y+x+1|^{-1.5}|y-x+3|^{0.5},2x-y-4\neq0,y+x+1\neq0,y-x+3\neq0,A>01=A∣y+x+1∣−1.5∣y−x+3∣0.5,2x−y−4​=0,y+x+1​=0,y−x+3​=0,A>0
    当然,以上可以总结成(y+x+1)3=C(y−x+3),x≠1,2x−y−4≠0,C∈R(y+x+1)^3=C(y-x+3),x\neq 1,2x-y-4\ne 0,C\in\mathbb R(y+x+1)3=C(y−x+3),x​=1,2x−y−4​=0,C∈Ry−x+3=0,x≠1,2x−y−4≠0y-x+3=0,x\neq 1,2x-y-4\ne 0y−x+3=0,x​=1,2x−y−4​=0.
    注:C=0C=0C=0的情况就是y+x+1=0y+x+1=0y+x+1=0.
    根据x=1x=1x=1处的连续性,解曲线是原方程解的一个必要条件是(y+x+1)3=C(y−x+3),C∈R,2x−y−4≠0(y+x+1)^3=C(y-x+3),C\in\mathbb R,2x-y-4\ne 0(y+x+1)3=C(y−x+3),C∈R,2x−y−4​=0y−x+3=0,2x−y−4≠0y-x+3=0,2x-y-4\ne0y−x+3=0,2x−y−4​=0. 而这也是充分条件,这就严格进行了求解。
  5. 始终保证右侧分母2x−y−42x-y-42x−y−4不为0即可。
  6. CDvD−1v′ABuB−1+p∗(u)CvD=q∗(u),u1−Bv′+p∗∗(u)v=q∗∗(u)v1−D\frac{CDv^{D-1}v'}{ABu^{B-1}}+p^*(u) Cv^D=q^*(u),u^{1-B}v'+p^{**}(u)v=q^{**}(u)v^{1-D}ABuB−1CDvD−1v′​+p∗(u)CvD=q∗(u),u1−Bv′+p∗∗(u)v=q∗∗(u)v1−D.
    CDvD−1v′ABuB−1+C2v2D=AmuBm\frac{CDv^{D-1}v'}{ABu^{B-1}}+C^2v^{2D}=A^mu^{Bm}ABuB−1CDvD−1v′​+C2v2D=AmuBm,考虑1−B=Bm,D−1=2D1-B=Bm,D-1=2D1−B=Bm,D−1=2D则K1v′+K2uB−1=K3v−2D,K1v′+K2u−m/(m+1)=K3v2K_1v'+K_2u^{B-1}=K_3v^{-2D},K^1v'+K_2u^{-m/(m+1)}=K_3v^2K1​v′+K2​uB−1=K3​v−2D,K1v′+K2​u−m/(m+1)=K3​v2.
    略。
    y≠0y\ne 0y​=0,换元u=x2+2,v=y2+1u=x^2+2,v=y^2+1u=x2+2,v=y2+1得到(u+v)dv=2(2v−u)du(u+v)dv=2(2v-u)du(u+v)dv=2(2v−u)du.
    令t=u/vt=u/vt=u/v,则v≠0v\ne0v​=0时tv′=t+14−2t−tvt'_v=\frac{\frac{t+1}{4-2t}-t}{v}tv′​=v4−2tt+1​−t​,下略。
  7. 2arctany′=arctan(−x/y),−x/y=2y′/(1−y′2),y′2x/y−2y′−x/y=02arctan y'=arctan(-x/y),-x/y=2y'/(1-y'^2),y'^2x/y-2y'-x/y=02arctany′=arctan(−x/y),−x/y=2y′/(1−y′2),y′2x/y−2y′−x/y=0
    y′=1±1+x2/y2x/y=y/x±y2/x2+1:=f±(y/x)=f±(u)y'=\frac{1\pm\sqrt{1+x^2/y^2}}{x/y}=y/x\pm\sqrt{y^2/x^2+1}{}:=f_\pm(y/x)=f_\pm(u)y′=x/y1±1+x2/y2​​=y/x±y2/x2+1​:=f±​(y/x)=f±​(u)
    ux′=y′−ux,dx/x=du/(±u2+1),ln∣x∣=±ln(u+u2+1)+Cu'_x=\frac{y'-u}{x},dx/x=du/(\pm\sqrt{u^2+1}),ln|x|=\pm ln(u+\sqrt{u^2+1})+Cux′​=xy′−u​,dx/x=du/(±u2+1​),ln∣x∣=±ln(u+u2+1​)+C
    x=A(u2+1±u),(x±Ay/x)2=A2(y2/x2+1),x2±2Ay=A2x=A(\sqrt{u^2+1}\pm u),(x\pm Ay/x)^2=A^2(y^2/x^2+1),x^2\pm2Ay=A^2x=A(u2+1​±u),(x±Ay/x)2=A2(y2/x2+1),x2±2Ay=A2
    注:根据实际意义,可能需要决定正负号,此处略。

积分因子法

  1. 对于xy′+ayxy'+a yxy′+ay结构,两项的xxx次数差一提示我们考虑形如()的积分因子。求解出待定系数即可。
  2. 直接写出Pdx+Qdy=0Pdx+Qdy=0Pdx+Qdy=0恰当的充要条件和μPdx+μQdy=0\mu Pdx+\mu Qdy=0μPdx+μQdy=0恰当的充要条件。若代入μ=μ(x)\mu=\mu(x)μ=μ(x)(即μ\muμ与yyy无关)则如何?
  3. 把上面的μ(x)\mu(x)μ(x)改为μ(ϕ(x,y))\mu(\phi(x,y))μ(ϕ(x,y))(复合函数)则如何?
  4. μ(Pdx+Qdy)=dF,λ(Rdx+Sdy)=dG\mu(Pdx+Qdy)=dF,\lambda(Rdx+Sdy)=dGμ(Pdx+Qdy)=dF,λ(Rdx+Sdy)=dG,那么怎么处理(P+R)dx+(Q+S)dy(P+R)dx+(Q+S)dy(P+R)dx+(Q+S)dy?
  5. P,QP,QP,Q是齐nnn次函数则Pdx+Qdy=0Pdx+Qdy=0Pdx+Qdy=0有积分因子()。解释证明过程用到的ntn−1P(x,y)=(tn)′P(x,y)=dP(tx,ty)/dt=x∂xP∣(tx,ty)+y∂yP∣(tx,ty)=tn−1(x∂xP∣(x,y)+y∂yP∣(x,y))nt^{n-1}P(x,y)=(t^n)'P(x,y)=dP(tx,ty)/dt=x\partial_x P|_{(tx,ty)}+y\partial_y P|_{(tx,ty)}=t^{n-1}(x\partial_xP|_{(x,y)}+y\partial_yP|_{(x,y)})ntn−1P(x,y)=(tn)′P(x,y)=dP(tx,ty)/dt=x∂x​P∣(tx,ty)​+y∂y​P∣(tx,ty)​=tn−1(x∂x​P∣(x,y)​+y∂y​P∣(x,y)​)。(下标表示求偏导)
  6. 假设ODE的一族解是F(x,y)=CF(x,y)=CF(x,y)=C,若CCC表示”高度“,此时解曲线的直观意义是什么?

答案

  1. xbx^bxb
  2. Py=Qx,(μP)y=(μQ)xP_y=Q_x,(\mu P)_y=(\mu Q)_xPy​=Qx​,(μP)y​=(μQ)x​(下标表示偏导),Qμx=μ(Py−Qx),(ln∣μ∣)x=μx/μ=(Py−Qx)/QQ\mu_x=\mu(P_y-Q_x),(ln|\mu|)_x=\mu_x/\mu=(P_y-Q_x)/QQμx​=μ(Py​−Qx​),(ln∣μ∣)x​=μx​/μ=(Py​−Qx​)/Q,如果右侧只和xxx有关就找到了积分因子μ\muμ.
  3. 略。
  4. μ\muμ是积分因子则Φ(F)μ\Phi(F)\muΦ(F)μ根据链式法则也是。所以考虑Φ,Ψ\Phi,\PsiΦ,Ψ使得μΦ(F)=λΨ(G)\mu\Phi(F)=\lambda\Psi(G)μΦ(F)=λΨ(G).
  5. (xP+yQ)−1(xP+yQ)^{-1}(xP+yQ)−1. 第二个等号:直接考虑P((t+Δt)x,(t+Δt)y)=(t+Δt)nP(x,y)P((t+\Delta t)x,(t+\Delta t)y)=(t+\Delta t)^n P(x,y)P((t+Δt)x,(t+Δt)y)=(t+Δt)nP(x,y). 第三个等号:多元微分链式法则。第四个等号:直接根据定义验证。
  6. 等高线。(等高,即dF=0dF=0dF=0. 因此直观上我们相信有积分因子)

应用举例

  1. 回忆由单参数曲线族Φ(x,y;C)=0\Phi(x,y;C)=0Φ(x,y;C)=0如何决定对称形式的微分方程Pdx+Qdy=0Pdx+Qdy=0Pdx+Qdy=0,以及原始形式的微分方程y′=H(x,y)y'=H(x,y)y′=H(x,y),并请由此直接写出“正交轨线”满足什么微分方程。
  2. 2ydx−xdy=02ydx-xdy=02ydx−xdy=0的正交轨线族满足什么对称形式的微分方程?
  3. 求与xy=Cxy=Cxy=C相交始终成π/4\pi/4π/4的曲线族。
  4. 已知x′=x(−1+y),y′=y(1−x)x'=x(-1+y),y'=y(1-x)x′=x(−1+y),y′=y(1−x)的解曲线是某个第一象限点附近的一族闭轨,利用(lnx)′(lnx)'(lnx)′和(lny)′(lny)'(lny)′表达式说明一个周期内yyy的平均值yˉ\bar yyˉ​对一切闭轨为定值。
  5. 请形式上把y′=y/(x+y2)y'=y/(x+y^2)y′=y/(x+y2)化为x′=f(x,y)x'=f(x,y)x′=f(x,y).
    平面上,PPP从原点出发,以匀速1向右运动,QQQ从(0,1)(0,1)(0,1)出发以匀速2追赶PPP,速度方向永远指向PPP,则考察QQQ相对于PPP坐标(x,y)(x,y)(x,y),有(xt′,yt′)=(x'_t,y'_t)=(xt′​,yt′​)=(),现请利用前面的提示,考察xy′x'_yxy′​,并利用积分因子法一节的0.进行求解。

答案

  1. 求导后联立消CCC. y′=−1/H(x,y)y'=-1/H(x,y)y′=−1/H(x,y).
    注:如果使用对称形式,则无需考虑分母为0的特例。
  2. xdx+2ydy=0xdx+2ydy=0xdx+2ydy=0(同心椭圆)
  3. 对xdy+ydx=0xdy+ydx=0xdy+ydx=0,形式上y′=−y/xy'=-y/xy′=−y/x,则旋转π/4\pi/4π/4后y′=tan(arctany′±π/4)=−y±xx±yy'=tan(arctany'\pm \pi/4)=\frac{-y\pm x}{x\pm y}y′=tan(arctany′±π/4)=x±y−y±x​,(x±y)dy+(y∓x)dx=0(x\pm y)dy+(y\mp x)dx=0(x±y)dy+(y∓x)dx=0
    对于第一种情况,d(xy+y22−x22)=0d(xy+\frac{y^2}2-\frac{x^2}2)=0d(xy+2y2​−2x2​)=0,第二种情况略。
  4. 一个周期中,0=Δ(lnx)=∫x′/x=∫(−1+y)=−T+Tyˉ0=\Delta(lnx)=\int x'/x=\int(-1+y)=-T+T\bar y0=Δ(lnx)=∫x′/x=∫(−1+y)=−T+Tyˉ​
  5. x′=x/y+yx'=x/y+yx′=x/y+y(为一阶线性ODE)
    (−1−2xx2+y2,−2yx2+y2)(-1-\frac{2x}{\sqrt{x^2+y^2}},-\frac{2y}{\sqrt{x^2+y^2}})(−1−x2+y2​2x​,−x2+y2​2y​)
    xy′=−r−2x−2y,−r−2x+2yxy′=0,(x/y)y′y2=yxy′−x=r/2=y2(1+(x/y)2)2x'_y=\frac{-r-2x}{-2y},-r-2x+2yx'_y=0,(x/y)'_yy^2=yx'_y-x=r/2=\frac{\sqrt{y^2(1+(x/y)^2)}}2xy′​=−2y−r−2x​,−r−2x+2yxy′​=0,(x/y)y′​y2=yxy′​−x=r/2=2y2(1+(x/y)2)​​,此时x/yx/yx/y可以换元为uuu.

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