常微分方程
考点定位
- 大纲位置:高等数学第四章,解方程"程序化"程度最高——识别类型 → 套固定流程 → 算准
- 常见题型:一阶方程识别与求解、二阶常系数齐次/非齐次通解、可降阶方程、含变限积分的方程(求导脱限)、由几何/物理条件列方程
- 考查频率:高。解答题几乎每年一道,且常与变限积分、几何应用综合
- 定位:全部考法收敛为"类型识别表 + 特解设法表"两张表;综合题套路是"求导脱限 → 带初始条件的方程 → 回代验证"
卷种差异(卷种确认前按数一超集学,确认后可划走):可降阶方程数一数二大纲均含;伯努利方程、全微分方程、欧拉方程仅数一考。
核心讲解
基本概念:微分方程的阶、解、通解、特解
微分方程:含有未知函数 y(x) 及其导数(或微分)的等式。阶:方程中出现的最高阶导数的阶数(如 y′′+p(x)y′+q(x)y=f(x) 是二阶)。
解:代入方程后使之成为恒等式的函数。通解:含有独立任意常数、且任意常数的个数等于方程的阶数的解;特解:不含任意常数的解,通常由初始条件定出。初始条件与初值问题:n 阶方程一般需要 n 个条件 y(x0), y′(x0), …, y(n−1)(x0) 把通解中的常数逐一锁定,方程加初始条件合称初值问题。
线性方程:未知函数 y 及其各阶导数都是一次、且系数只依赖 x 的方程,一般形式为
y(n)+a1(x)y(n−1)+⋯+an(x)y=f(x)
右端 f(x)≡0 时称齐次线性方程,否则称非齐次线性方程。
一词两义警报(命题人的措辞陷阱):本章"齐次"有两个互不相关的含义——① 线性方程语境下的齐次(右端为 0,如 y′+P(x)y=0);② 一阶方程 y′=φ(xy) 形态的齐次(方程各项关于 x,y 的总次数相同)。看到"齐次"先判断语境属于哪一种,二者解法完全不同。
类型识别总表(一阶)
拿到一阶方程先化成标准形态(把 y′ 解出来或写成 Pdx+Qdy=0),再对照:
识别技巧:看各项关于 x,y 的"总次数"是否相同(齐次的代数特征:x2−y2x2+xy 型每项次数一致)。
一阶线性方程与常数变易法推导
对 y′+P(x)y=Q(x),先解齐次方程 y′+Py=0(可分离):
y=Ce−∫P(x)dx
常数变易:把常数 C 升级为待定函数 C(x),设 y=C(x)e−∫Pdx,代回原方程:
C′(x)e−∫Pdx−P⋅C(x)e−∫Pdx+P⋅C(x)e−∫Pdx=Q(x)
中间两项相消,剩下 C′(x)=Q(x)e∫Pdx,积分得 C(x)=∫Qe∫Pdxdx+C1。于是通解公式:
y=e−∫Pdx(∫Q(x)e∫Pdxdx+C)
使用公式前必须化成标准形态(y′ 的系数为 1),否则 P 取错全盘皆输。理解推导比背公式可靠——考场上现推 30 秒,比记错公式强。
伯努利方程(仅数一)
y′+P(x)y=Q(x)yn:两边除以 yn(y=0),得 y−ny′+Py1−n=Q。注意 y1−n 的导数恰是 (1−n)y−ny′,令 z=y1−n 即化为一阶线性 z′+(1−n)Pz=(1−n)Q。别忘检查 y≡0 是否为解(除以 yn 时丢掉了它)。
可降阶的二阶方程(数一数二均考)
第三类的 y′′=pdydp 是本节最易错点——p 被视为 y 的函数,不是 x 的。区分口诀:缺谁不代谁(缺 y 则设 p=p(x);缺 x 则设 p=p(y))。
二阶常系数齐次:特征方程法
y′′+py′+qy=0(p,q 为常数),猜 y=erx 代入得特征方程 r2+pr+q=0。三种情形:
结构定理背景:两个线性无关解的线性组合即通解。Δ<0 情形的实解由欧拉公式 e(α+βi)x 的实虚部拆出——记住结论即可,但要记得写 eαx 这个因子。
二阶常系数非齐次:特解设法规律表
y′′+py′+qy=f(x),通解 = 齐次通解 + 非齐次特解。特解不用积分,用待定系数猜:
三条铁律:
- 共振必补 xk:λ 落在特征根上时,不补 xk 则待定方程无解(猜出的项已被齐次解吸收)
- cos 与 sin 成对设:右端哪怕只有 cosβx,特解也必须同时含 cos 与 sin(求导会互相产生)
- 多项式要设满次:右端是 x 就设 ax+b,不能只设 ax
叠加原理:右端是几项之和,特解就分别设再相加。
综合题套路:微分方程 × 变限积分 × 几何应用
含变限积分的方程(最高频综合形态)
方程形如 f(x)=g(x)+∫0xf(t)dt(或 ∫0xf(t)dt 的更复杂组合):
- 求导脱限:两边对 x 求导,∫0xf(t)dt 变成 f(x),得到微分方程
- 定初值:在原方程中令 x=0(积分下限),得 f(0)——初值藏在原方程里,不求白丢
- 解初值问题,重要的话最后代回原方程检验(求导可能放大解集)
变体:∫0xxf(t)dt、∫0xf(x−t)dt 这类被积函数含 x 的,先拆项提出 / 换元(u=x−t)再求导——衔接一元函数积分学变限求导节。
几何应用列方程
翻译表:切线斜率 →y′;曲线在 (x,y) 处切线纵截距/法线条件 → 关于 x,y,y′ 的方程;"过点 (x0,y0)" → 初始条件。列完照旧解方程。物理应用(功、压力、质心,仅数一)同理把物理定律翻译成 y′ 与 x,y 的关系。
例题
例题 1(模拟题)一阶线性:公式或凑微分
解方程 y′+ycosx=e−sinx。
解析:标准形态已就位,P=cosx,Q=e−sinx。观察 e−sinx 恰是 esinx 的倒数,用凑微分更快:两边乘 esinx:
esinxy′+esinxcosxy=1⟹(yesinx)′=1
积分得 yesinx=x+C,即 y=(x+C)e−sinx。
两种殊途:这就是通解公式里"积分因子 e∫Pdx"的手工版——公式忘了现场能重推,这是底线保障。
例题 2(模拟题)齐次方程
解 (x2+y2)dx−xydy=0。
解析:化为 y′=xyx2+y2=u1+u 型(分子分母同除 x2 即见 xy 结构),令 y=ux:
u+xdxdu=u1+u⟹xdxdu=u1⟹udu=xdx
积分 2u2=ln∣x∣+C1,回代 u=xy:
y2=2x2ln∣x∣+Cx2
坑:回代后结果可整理成隐式通解,不必强求显式;x=0 处的奇性由 ln∣x∣ 自然体现。
例题 3(模拟题)二阶常系数非齐次:多项式×指数共振
求 y′′−3y′+2y=xex 的通解。
解析:
齐次部分:r2−3r+2=0⟹r1=1, r2=2,齐次通解 Y=C1ex+C2e2x。
特解:右端 λ=1 恰是单特征根,k=1;Pm(x)=x(一次),设 y∗=(ax2+bx)ex。代入时用多项式整体代换(ex 因子提出)最省力:记 P=ax2+bx,则 y′′−3y′+2y=ex(P′′−3P′+2P),其中 P′′=2a,P′=2ax+b:
2a−3(2ax+b)+2(ax2+bx)=2ax2+(2b−6a)x+(2a−3b)=!x
比较系数:2a=0⇒a=0;2b=1⇒b=21。故 y∗=2xex,通解:
y=C1ex+C2e2x+2xex
技巧复述:ex 型右端代入时保持 ex 不动、只算多项式组合 P′′−3P′+2P,比三次求导快得多且不易错。
例题 4(模拟题)可降阶:缺 x 型
解 yy′′=y′2(y>0)。
解析:方程不含 x,令 p=p(y),y′′=pdydp:
ypdydp=p2⟹pdp=ydy⟹p=C1y⟹y′=C1y
再积分 ydy=C1dx⟹y=C2eC1x。
坑:第一步除以 p 时若 p=0(即 y≡ 常数)也是解,被 C1=0 情形吸收,故通解完整。
例题 5(模拟题)综合:变限积分方程
设 f(x) 连续,且满足 f(x)=ex+∫0xf(t)dt,求 f(x)。
解析:
求导脱限:f′(x)=ex+f(x),即 f′−f=ex(一阶线性)。
定初值:原方程令 x=0:f(0)=e0+0=1。
解初值问题:积分因子 e−x:(fe−x)′=1⟹fe−x=x+C,由 f(0)=1 得 C=1:
f(x)=(x+1)ex
检验:∫0x(t+1)etdt=[tet]0x=xex,代回右边 ex+xex=(x+1)ex=f(x),成立。
套路总结:脱限 → 取初值 → 解 → 回代检验,四步缺一不可;初值必须从原方程取(求导后的方程已丢失这一信息)。
常见坑
- 非齐次特解不查 λ 是否特征根:共振不补 xk,待定系数方程直接矛盾(例题 3 若不补 x 将解不出 a,b)
- 右端只有 cos 就只设 cos:特解必须 cos、sin 成对。对照:y′′+y=cosx 的特解是 −2xsinx(共振且由 sin 承担),设 acosx 毫无胜算
- 一阶线性不化标准形态就取 P,Q,符号错全盘错
- 可降阶"缺 x 型"把 p 当 x 的函数:y′′=f(y,y′) 必须 y′′=pdydp
- 变限积分方程求导后忘记取初值,或初值不从原方程取
- Δ<0 忘写 eαx 因子:y′′+4y=0 的解是 C1cos2x+C2sin2x(α=0 隐去),但 y′′+2y′+5y=0 的解必须带 e−x
- 通解常数个数不足:n 阶方程 n 个独立常数;可降阶每积一次分补一个
- 伯努利/欧拉方程当公共考点:二者仅数一考(卷种确认前按超集学)
- 特解多项式没设满次:右端 x 要设 ax+b,常数项不能省
自测
- 解 y′=ex−y
- 解 (1+x)y′+y=ex
- 求 y′′−2y′+y=ex 的通解(注意共振)
- 求 y′′+4y=3cos2x 的通解
- 曲线过点 (0,1),其上任一点 (x,y) 处切线斜率为 2x+y,求曲线方程
自测答案与简析
- 可分离:eydy=exdx⟹ey=ex+C,即 y=ln(ex+C)
- 化标准形 y′+1+xy=1+xex,积分因子 1+x:[(1+x)y]′=ex,故 (1+x)y=ex+C
- Δ=0,r=1 二重根,齐次通解 (C1+C2x)ex;右端 λ=1 是二重根,k=2:设 y∗=ax2ex,代入得 2aex=ex,a=21。通解 y=(C1+C2x)ex+2x2ex
- r=±2i,齐次通解 C1cos2x+C2sin2x;±2i 是特征根,k=1:设 y∗=x(acos2x+bsin2x),代入得 y′′+4y=−4asin2x+4bcos2x=3cos2x,故 a=0、b=43。通解 y=C1cos2x+C2sin2x+43xsin2x
- 列方程 y′=2x+y 且 y(0)=1,即 y′−y=2x。积分因子 e−x:(ye−x)′=2xe−x,积分得 ye−x=−2xe−x−2e−x+C,即 y=Cex−2x−2;代入 y(0)=1 得 C=3:y=3ex−2x−2
本章关联