隐式微分方程的解法讨论
摘要:隐式微分方程是常微分方程中的一个重要课题,但是在大学时期,我们学习讨论的一般是一阶隐式微分方程,而本文主要就是研究讨论关于一阶隐式微分方程的几种比较常见的解法.
关键词:参数;微分法;包络;奇解;克莱罗方程.
引言:若要讨论一阶隐式微分方程的解法,首先应该了解隐式方程显示方程之间的联系,然后总结好解析一阶隐式微分方程问题的大致思路.下面,我们首先来了解几种常见的一阶隐式微分方程类型.
一阶隐式微分方程的概念与求解思路
1. 定义
没有就y'解出的形如
F(x,y,y')=0
的方程我们称为一阶隐式微分方程.
2. 求解思路
如果能从方程F(x,y,y')=0中解出y'那么求解方程就可以归纳到一个或者几个一显式微分方程,求解这些解,就可以得到方程F(x,y,y')=0的解.
dy
例 1 解微分方程 y2ex
dx
2
xdyx
xye0 ydx
解:将此微分方程的左端分解因式得
xdy2xdyye=0
dxdxy
分别解两个微分方程
dydyx
y2ex和=,得到的解分别是 dxdxy
ex+
1
C10和y2x2C20 y
于是我们得到所求微分方程的通解为
x122
yxC20 eC1
y
应当说,例1当中的一阶方程的通解只有一个任意常数,但是在这个通解的表达式中有两个常数C1和C2。对于给定两个常数C1,C2,要么只有通解表达式两个因子之一为0确定积分曲线,要么两个因子同时为零,这时,两个常数C1和
C2就不是独立的了.总之,决定积分曲线时,总是只有一个常数起作用.
一般来说,很难从方程F(x,y,y')=0中解出y',或者即使解出y',而其表达式也是极其复杂的,下面介绍的就是不解出y',采用引进参数的方法使之变成导数已解出的方程类型,这里主要有以下四个类型:
1)yf(x,y') 2)xf(y,y') 3)F(x,y')0 4)F(y,y')0
二、可解出y或x的方程的解法
1.可解出y的隐式方程yf(x,y')
如果从方程F(x,y,y')=0中可以解出y,那么就可以得到第一种类型
yf(x,y')
在这里假设函数yf(x,y')有关于x、y'有连续的偏导数.
引入参数p=y',则原方程变为
yf(x,p) 将上式两边对x求导数,并以p代替y',这样可以得到
fx,pfx,pdp P
xpdx该方程是关于x,p的一阶显方程 如果求的该方程的通解为
p=(x,C)
将它代入y=f(x,p),这样得到原方程的通解为
yf(x,(x,C)) (C为任意常数)
fx,pfx,pdp
如果,方程P还有解
xpdx
p=u(x)
把上式代入到y=f(x,p),那么就得到原方程的相应解
y=f(x,u(x))
如果能求得方程P
fx,pfx,pdp
的通解
xpdx
F=(x,p,C)=0
将它和y=f(x,p)结合,就能得到原方程参数形式的通解
F(x,p,C)0,
y(x,p),
fx,pfx,pdp
其中p是参数,C是任意常数,如果方程P还有解
xpdx
G(x,p)0
将它和y=f(x,p)结合,这样得到方程相应的参数形式的解
其中p为参数.
G(x,p)0,
yf(x,p),
根据上面讨论,为了求解方程yf(x,y'),我们引进参数py',通过对x进行求导数,从而消去y,把问题简化成求解关于x与p的一阶显示方程,我们这种方法称为微分法.
dy
xy1 例2.解方程:dxdy
解:原方程是就解出的一阶线性方程,当然可以按其解法求解.在这里,可以
dx把它当作可就y解出的方程来求解.
原方程就y解出可得
y
dy
x1 dx
令
dy
=p,则可得:ypx1 dx
dy
对上式两边关于x求导,用p代入则可得
dxdpdpp1 也就是p1
dxdx
1)当p10时,分离变量,可得
dp
dx p1
两边同时积分可得
lnpxlnc (c为不等于0的常数)
或 lpxc (c为任意常数)
即pcex1或xlnp1c
将上面两个式子代入到ypx1可得
ycex(x2) (c为不等于0的任意常数) 或yplnpc1 (c为任意实数) 2)当p10有:p1
把它代入到ypx1可得:y(x2) 根据1)、2)即可知,原方程通解为:
ycex(x2)(c为任意常数)
其参数形式的通解可表示为:
xlnp1c
yplnp1c1
(p1,参数;c为任意常数)
及y(x2)
x2
例3. 解方程y(y)xy.
2
'2
'
解:令y'p,原方程可化为
x2
ypxp,
2
2
两边同时对x求导,可得
p2p
dpdp
pxx, dxdx
dp
1)0 dx
化简整理之后可得
(2px)(
对
dp
10积分就可以得到上式的通解 dx
pxC (C为任意常数)
x2
把它代入到ypxp,便可以得到原方程通解
2
2
x2
yCxC2 (C为任意常数)
2
xx22
又从2px0,便可得原方程一个解p,把它代入ypxp
22
x2
又可以得到方程一个特解: y
4
x2x22
应该注意到方程的通解yCxC和这个特解y它们同时经
24
过点P(2C,C2),并且在改点斜率为C.
x2
做出特解和通解的图形,从下图我们可以知道,在积分曲线y上每一点
4x2
处,都有积分曲线族yCxC2中的某一条积分曲线在该点与之相切.在几
2x2x2
何中,我们称y是曲线族yCxC2的包络.在微分方程中我们称积分
42x2
曲线y对应的解为原解的奇解,奇解对应的曲线上的每一点,至少有方程的
4
两条积分曲线通过.
而作为yf(x,y')的一种重要类型,一般我们把形如:
yxy'(y')
的方程称为克莱罗方程,它是关于y可以解出的一阶隐式方程,其中(z)二阶连续可微,且
ppx
当
dpdpdp'(p)0 即(x'(p))dxdxdx
dp
0时,有pC,因此通解为 dx
yCX(C)
当x'(p)0时,可得克莱罗方程一个特解
特解
x'(p)
y'(p)p(p)
通解yCX(C)是一族直线
x'(p)
y'(p)p(p)是该直线的包络.
例 4 求解方程yxy'
1 'y
'
1p'
解:该方程克莱罗方程,0xp2,p'0,x2
pp
1x2p11
yp所以该方程有通解:yCx 以及特解:
pC消去参数p,得到原方程的奇解:y24x 所以该方程通解是直线族:yCx2.可解出x的隐式方程xf(y,y') 对于可解出x的方程的第二种类型
1
,而奇解是通解的包络:y24x. C
xf(y,y')
该方程的求解方法和方程yf(x,y')的求解方法基本完全类似,这里,我们可以假定函数xf(y,y')有关于y、y'的连续偏导数. 引进参数y'p ,则原式可变为
x(y,p)
将上式两边对y求导数, 并以
dx1
代入,可得 dyp1ffdp pypdy
该方程是联系y、p,并且可以根据前面的方法来求解. 如果求的方程
dp
解出的一阶微分方程,因此可以按照dy
1ffdp的通解形式: pypdy
pw(y,c) (c为任意常数)
则原方程xf(y,y')的通解为:
xf(y,w(y,c)) (c为任意常数)
如果求的方程
1ffdp
的通解形式为:·
pypdy
yv(p,c)(p为参数,c为常数)
则原方程xf(y,y')的通解为:
如果求的方程
xf(v(p,c),p)yv(p,c)(p为参数,c为常数)
1ffdp的通解形式为: pypdy
(y,p,c)0
则方程x(y,p)的参数形式的通解为:
xf(y,p)(y,p,c)0
(p为参数,c为任意常数)
例5.解方程:y2y'32xy'y0
解:在这里我们可以把原方程当作可就x解出的方程来求解,因此就有.
yy2y'2
x'
2y2
令y'=p,则可得:
yy2p2
x
2p2
对上式两边关于y求导,用
dy11
'代入整理可得 dxyp
dpp(12yp3)0
dyy
由
dpp
0,可以求得上式的通解 dyy
p
C, y
yy2p2
将它代入到方程x,整理后可得原方程通解
2p2
y22CxC3
dpp
再由12yp3=0可得(12yp3)0的特解
dyy
y
1 2p3
原方程的参数表示的特解为
3x48py12p3
三、不显含x或y的方程的解法 1. 不显含y的隐式方程
如果从几何的观点来看,微分方程F(x,y,y')0的解是平面xOy的一条曲线,它可以用直角坐标系来表示,同样也可以用参数坐标来表示,微分方程的解也可
以用参数坐标来表示。
对于方程F(x,y,y')0,若其左端不显含y,即第三种类型
F(x,y')0
在方程F(x,y')=0中,记py'
dy
.由于不显含y,我们不妨把方程看作dx
代表平面xOy'上的一条曲线,这样就可以用某种适当的参数来表示该曲线:
x(t)y'(t)
这里t为参数. 而沿方程F(x,y')0的任意一条积分曲线上均满足积分的基
本关系dyy'dx,将
x(t)
y'(t)代入该基本关系式可得
dy(t)'(t)dt
两边积分可以得到
y(t)'(t)dtC
于是可以得到F(x,y')0的参数形式通解为
从而可得
x(t)
y(t)'(t)dtC
例6. 求解方程x3y'33xy'0.
解:令y'tx,则代入原方程可得
x
3t
1t3
3t2
y3
1t
'
由dyy'dx,可得
9(12t3)t2
dydt 33
(1t)
对其积分,可得
9(12t3)t2314t3
yC
(1t3)32(1t3)2
因此方程的通解的参数形式为
3tx1t3
314t3 yC322(1t)
2.不显含x的隐式方程
对于不含x的隐式方程
F(y,y')0
其求解方法和F(x,y')0的方法基本类似,在这里记py',
引入参数t,将方程表为适当的参数形式
根据关系式dypdx可得
由此得
y(t)p(t)
'(t)dt(t)dx
'(t)'(t)dxdt,xdtC,
(t)(t)
这样就可以得到方程F(y,y')0的参数形式通解
例7.求解隐式方程
'(t)xdtC
(t)y(t)
此外,容易验证,若F(y,0)0有实根yk,则yk也是方程的解.
dy2y11 dx
2
解法 1 由原方程可解出y',有
dy
dx
若y210,分离变量可得
dx 对它进行积分,则
xC
可得原方程通解为
y(x2C)21
同时根据y210,可知y1也是原方程的解.
解法 2 方程是不显含x的隐式方程,可令y'cost,将其代入到原方程中可解出ycsct,这样在y'0的情况下,由dx
dy
可得: 'y
dxsect(csccot)dtcsc2tdt.
积分可得xcottC,原方程通解的参数形式为
xcottCycsct
消去参数t,则可得方程的隐式解y(xC)21.另外,当y'=0是,由原方程可得y21,因此方程的解还有y1.
解法 3 令y'p,代入原方程可得
ydy
可得 'y
若y'0,由dx
dx
1(1p)
2dp.
积分可得xC,可知原方程同通解的参数方程为
xy
C
消去参数可得隐式解y(x2C)21,此外根据y'0也可得到解y1.
解法 4 令1y'2
1t
代入原方程可得y
并且同时可以得到y'.,,
ty
若y'0,由dx
dy
可得
y'
dx
对其积分可得xC,则原方程通解为
xy1t
y'0时,有解y1.
C.
消去参数,则可得到和前面相同两种方法所得到的相同的隐式解.另外,当
由例题7的几种解法,我们可以知道,根据入参数的方法差异,得到的解的形式一般也有所不同,但他们包含的解却是相同的.通常说来,只需消去参数
t或p,就可以转化为方法1得到的通解的参数形式.
致谢:本文在王世球老师的悉心指导下完成!
参考文献:
1李荣华,冯果忱.微分方程数值解法.北京:人民教育出版社,1980
2周尚仁,权宏顺.常微分方程习题集.北京:人民教育出版社,1980 3王高雄.常微分方程.北京:人民教育出版社,1983
4秦化淑,林正国.常微分方程及其应用.北京:国防工业出版社,1985 5蔡燧林. 常微分方程.杭州:浙江大学出版社,1988
6 东北师范大学数学系微分方程研究室.常微分方程.高等教育出版社,1995 7周义仓,靳祯,秦军林.常微分方程及其应用——方法、理论、建模、计算机.
北京:科学出版社,2003
8庄万. 常微分方程习题解.济南:山东科学技术出版社,2004
9石瑞青.常微分方程全程导学及习题全解.中国时代经济出版社(第3版)2007
隐式微分方程的解法讨论
摘要:隐式微分方程是常微分方程中的一个重要课题,但是在大学时期,我们学习讨论的一般是一阶隐式微分方程,而本文主要就是研究讨论关于一阶隐式微分方程的几种比较常见的解法.
关键词:参数;微分法;包络;奇解;克莱罗方程.
引言:若要讨论一阶隐式微分方程的解法,首先应该了解隐式方程显示方程之间的联系,然后总结好解析一阶隐式微分方程问题的大致思路.下面,我们首先来了解几种常见的一阶隐式微分方程类型.
一阶隐式微分方程的概念与求解思路
1. 定义
没有就y'解出的形如
F(x,y,y')=0
的方程我们称为一阶隐式微分方程.
2. 求解思路
如果能从方程F(x,y,y')=0中解出y'那么求解方程就可以归纳到一个或者几个一显式微分方程,求解这些解,就可以得到方程F(x,y,y')=0的解.
dy
例 1 解微分方程 y2ex
dx
2
xdyx
xye0 ydx
解:将此微分方程的左端分解因式得
xdy2xdyye=0
dxdxy
分别解两个微分方程
dydyx
y2ex和=,得到的解分别是 dxdxy
ex+
1
C10和y2x2C20 y
于是我们得到所求微分方程的通解为
x122
yxC20 eC1
y
应当说,例1当中的一阶方程的通解只有一个任意常数,但是在这个通解的表达式中有两个常数C1和C2。对于给定两个常数C1,C2,要么只有通解表达式两个因子之一为0确定积分曲线,要么两个因子同时为零,这时,两个常数C1和
C2就不是独立的了.总之,决定积分曲线时,总是只有一个常数起作用.
一般来说,很难从方程F(x,y,y')=0中解出y',或者即使解出y',而其表达式也是极其复杂的,下面介绍的就是不解出y',采用引进参数的方法使之变成导数已解出的方程类型,这里主要有以下四个类型:
1)yf(x,y') 2)xf(y,y') 3)F(x,y')0 4)F(y,y')0
二、可解出y或x的方程的解法
1.可解出y的隐式方程yf(x,y')
如果从方程F(x,y,y')=0中可以解出y,那么就可以得到第一种类型
yf(x,y')
在这里假设函数yf(x,y')有关于x、y'有连续的偏导数.
引入参数p=y',则原方程变为
yf(x,p) 将上式两边对x求导数,并以p代替y',这样可以得到
fx,pfx,pdp P
xpdx该方程是关于x,p的一阶显方程 如果求的该方程的通解为
p=(x,C)
将它代入y=f(x,p),这样得到原方程的通解为
yf(x,(x,C)) (C为任意常数)
fx,pfx,pdp
如果,方程P还有解
xpdx
p=u(x)
把上式代入到y=f(x,p),那么就得到原方程的相应解
y=f(x,u(x))
如果能求得方程P
fx,pfx,pdp
的通解
xpdx
F=(x,p,C)=0
将它和y=f(x,p)结合,就能得到原方程参数形式的通解
F(x,p,C)0,
y(x,p),
fx,pfx,pdp
其中p是参数,C是任意常数,如果方程P还有解
xpdx
G(x,p)0
将它和y=f(x,p)结合,这样得到方程相应的参数形式的解
其中p为参数.
G(x,p)0,
yf(x,p),
根据上面讨论,为了求解方程yf(x,y'),我们引进参数py',通过对x进行求导数,从而消去y,把问题简化成求解关于x与p的一阶显示方程,我们这种方法称为微分法.
dy
xy1 例2.解方程:dxdy
解:原方程是就解出的一阶线性方程,当然可以按其解法求解.在这里,可以
dx把它当作可就y解出的方程来求解.
原方程就y解出可得
y
dy
x1 dx
令
dy
=p,则可得:ypx1 dx
dy
对上式两边关于x求导,用p代入则可得
dxdpdpp1 也就是p1
dxdx
1)当p10时,分离变量,可得
dp
dx p1
两边同时积分可得
lnpxlnc (c为不等于0的常数)
或 lpxc (c为任意常数)
即pcex1或xlnp1c
将上面两个式子代入到ypx1可得
ycex(x2) (c为不等于0的任意常数) 或yplnpc1 (c为任意实数) 2)当p10有:p1
把它代入到ypx1可得:y(x2) 根据1)、2)即可知,原方程通解为:
ycex(x2)(c为任意常数)
其参数形式的通解可表示为:
xlnp1c
yplnp1c1
(p1,参数;c为任意常数)
及y(x2)
x2
例3. 解方程y(y)xy.
2
'2
'
解:令y'p,原方程可化为
x2
ypxp,
2
2
两边同时对x求导,可得
p2p
dpdp
pxx, dxdx
dp
1)0 dx
化简整理之后可得
(2px)(
对
dp
10积分就可以得到上式的通解 dx
pxC (C为任意常数)
x2
把它代入到ypxp,便可以得到原方程通解
2
2
x2
yCxC2 (C为任意常数)
2
xx22
又从2px0,便可得原方程一个解p,把它代入ypxp
22
x2
又可以得到方程一个特解: y
4
x2x22
应该注意到方程的通解yCxC和这个特解y它们同时经
24
过点P(2C,C2),并且在改点斜率为C.
x2
做出特解和通解的图形,从下图我们可以知道,在积分曲线y上每一点
4x2
处,都有积分曲线族yCxC2中的某一条积分曲线在该点与之相切.在几
2x2x2
何中,我们称y是曲线族yCxC2的包络.在微分方程中我们称积分
42x2
曲线y对应的解为原解的奇解,奇解对应的曲线上的每一点,至少有方程的
4
两条积分曲线通过.
而作为yf(x,y')的一种重要类型,一般我们把形如:
yxy'(y')
的方程称为克莱罗方程,它是关于y可以解出的一阶隐式方程,其中(z)二阶连续可微,且
ppx
当
dpdpdp'(p)0 即(x'(p))dxdxdx
dp
0时,有pC,因此通解为 dx
yCX(C)
当x'(p)0时,可得克莱罗方程一个特解
特解
x'(p)
y'(p)p(p)
通解yCX(C)是一族直线
x'(p)
y'(p)p(p)是该直线的包络.
例 4 求解方程yxy'
1 'y
'
1p'
解:该方程克莱罗方程,0xp2,p'0,x2
pp
1x2p11
yp所以该方程有通解:yCx 以及特解:
pC消去参数p,得到原方程的奇解:y24x 所以该方程通解是直线族:yCx2.可解出x的隐式方程xf(y,y') 对于可解出x的方程的第二种类型
1
,而奇解是通解的包络:y24x. C
xf(y,y')
该方程的求解方法和方程yf(x,y')的求解方法基本完全类似,这里,我们可以假定函数xf(y,y')有关于y、y'的连续偏导数. 引进参数y'p ,则原式可变为
x(y,p)
将上式两边对y求导数, 并以
dx1
代入,可得 dyp1ffdp pypdy
该方程是联系y、p,并且可以根据前面的方法来求解. 如果求的方程
dp
解出的一阶微分方程,因此可以按照dy
1ffdp的通解形式: pypdy
pw(y,c) (c为任意常数)
则原方程xf(y,y')的通解为:
xf(y,w(y,c)) (c为任意常数)
如果求的方程
1ffdp
的通解形式为:·
pypdy
yv(p,c)(p为参数,c为常数)
则原方程xf(y,y')的通解为:
如果求的方程
xf(v(p,c),p)yv(p,c)(p为参数,c为常数)
1ffdp的通解形式为: pypdy
(y,p,c)0
则方程x(y,p)的参数形式的通解为:
xf(y,p)(y,p,c)0
(p为参数,c为任意常数)
例5.解方程:y2y'32xy'y0
解:在这里我们可以把原方程当作可就x解出的方程来求解,因此就有.
yy2y'2
x'
2y2
令y'=p,则可得:
yy2p2
x
2p2
对上式两边关于y求导,用
dy11
'代入整理可得 dxyp
dpp(12yp3)0
dyy
由
dpp
0,可以求得上式的通解 dyy
p
C, y
yy2p2
将它代入到方程x,整理后可得原方程通解
2p2
y22CxC3
dpp
再由12yp3=0可得(12yp3)0的特解
dyy
y
1 2p3
原方程的参数表示的特解为
3x48py12p3
三、不显含x或y的方程的解法 1. 不显含y的隐式方程
如果从几何的观点来看,微分方程F(x,y,y')0的解是平面xOy的一条曲线,它可以用直角坐标系来表示,同样也可以用参数坐标来表示,微分方程的解也可
以用参数坐标来表示。
对于方程F(x,y,y')0,若其左端不显含y,即第三种类型
F(x,y')0
在方程F(x,y')=0中,记py'
dy
.由于不显含y,我们不妨把方程看作dx
代表平面xOy'上的一条曲线,这样就可以用某种适当的参数来表示该曲线:
x(t)y'(t)
这里t为参数. 而沿方程F(x,y')0的任意一条积分曲线上均满足积分的基
本关系dyy'dx,将
x(t)
y'(t)代入该基本关系式可得
dy(t)'(t)dt
两边积分可以得到
y(t)'(t)dtC
于是可以得到F(x,y')0的参数形式通解为
从而可得
x(t)
y(t)'(t)dtC
例6. 求解方程x3y'33xy'0.
解:令y'tx,则代入原方程可得
x
3t
1t3
3t2
y3
1t
'
由dyy'dx,可得
9(12t3)t2
dydt 33
(1t)
对其积分,可得
9(12t3)t2314t3
yC
(1t3)32(1t3)2
因此方程的通解的参数形式为
3tx1t3
314t3 yC322(1t)
2.不显含x的隐式方程
对于不含x的隐式方程
F(y,y')0
其求解方法和F(x,y')0的方法基本类似,在这里记py',
引入参数t,将方程表为适当的参数形式
根据关系式dypdx可得
由此得
y(t)p(t)
'(t)dt(t)dx
'(t)'(t)dxdt,xdtC,
(t)(t)
这样就可以得到方程F(y,y')0的参数形式通解
例7.求解隐式方程
'(t)xdtC
(t)y(t)
此外,容易验证,若F(y,0)0有实根yk,则yk也是方程的解.
dy2y11 dx
2
解法 1 由原方程可解出y',有
dy
dx
若y210,分离变量可得
dx 对它进行积分,则
xC
可得原方程通解为
y(x2C)21
同时根据y210,可知y1也是原方程的解.
解法 2 方程是不显含x的隐式方程,可令y'cost,将其代入到原方程中可解出ycsct,这样在y'0的情况下,由dx
dy
可得: 'y
dxsect(csccot)dtcsc2tdt.
积分可得xcottC,原方程通解的参数形式为
xcottCycsct
消去参数t,则可得方程的隐式解y(xC)21.另外,当y'=0是,由原方程可得y21,因此方程的解还有y1.
解法 3 令y'p,代入原方程可得
ydy
可得 'y
若y'0,由dx
dx
1(1p)
2dp.
积分可得xC,可知原方程同通解的参数方程为
xy
C
消去参数可得隐式解y(x2C)21,此外根据y'0也可得到解y1.
解法 4 令1y'2
1t
代入原方程可得y
并且同时可以得到y'.,,
ty
若y'0,由dx
dy
可得
y'
dx
对其积分可得xC,则原方程通解为
xy1t
y'0时,有解y1.
C.
消去参数,则可得到和前面相同两种方法所得到的相同的隐式解.另外,当
由例题7的几种解法,我们可以知道,根据入参数的方法差异,得到的解的形式一般也有所不同,但他们包含的解却是相同的.通常说来,只需消去参数
t或p,就可以转化为方法1得到的通解的参数形式.
致谢:本文在王世球老师的悉心指导下完成!
参考文献:
1李荣华,冯果忱.微分方程数值解法.北京:人民教育出版社,1980
2周尚仁,权宏顺.常微分方程习题集.北京:人民教育出版社,1980 3王高雄.常微分方程.北京:人民教育出版社,1983
4秦化淑,林正国.常微分方程及其应用.北京:国防工业出版社,1985 5蔡燧林. 常微分方程.杭州:浙江大学出版社,1988
6 东北师范大学数学系微分方程研究室.常微分方程.高等教育出版社,1995 7周义仓,靳祯,秦军林.常微分方程及其应用——方法、理论、建模、计算机.
北京:科学出版社,2003
8庄万. 常微分方程习题解.济南:山东科学技术出版社,2004
9石瑞青.常微分方程全程导学及习题全解.中国时代经济出版社(第3版)2007