常微分方程的解法

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ODE

1st ODE(化成dy/dx or ...dy+...dx=0)

可分离变量

dydx=g(x)f(y)\frac{dy}{dx}=g(x)f(y)

Homogeneous Equation

dydx=f(x,y)\frac{dy}{dx}=f(x,y) , 设一个新变量,z=y/x;y=zx;y=zx+zz=y/x;y=zx;y'=z'x+z代入上式

Exact Equation

M(x,y)dx+N(x,y)dy=0M(x,y)dx+N(x,y)dy=0 刚好是某个二元函数的全微分

My=Nx\frac{\partial M}{\partial y}=\frac{\partial N}{\partial x} 判断

eg. eydx+(xey+2y)dy=0e^y\mathrm{d}x+(xe^y+2y)\mathrm{d}y=0

sol: Easy to get it's exact, 先对dx积分(一边一边地处理)

f=eydx+g(y)=xey+g(y)f=\int e^y \mathrm{d}x+g(y)=xe^y+g(y)

fy=xey+g(y)\frac{\partial f}{\partial y}=xe^y+g'(y)

g(y)=2y,g(y)=y2+Cg'(y)=2y, g(y)=y^2+C

So f=xey+y2+Cf=xe^y+y^2+C  Q.E.D.\ Q.E.D.

Non-Exact Equation

M(x,y)dx+N(x,y)dy=0M(x,y)dx+N(x,y)dy=0, 两边同×一个integrating factor,变成exact

if M/yN/xN=g(x)\frac{\partial M/\partial y - \partial N/\partial x}{N}=g(x), then μ=eg(x)dx\mu=e^{\int g(x)\mathrm{d}x}

if M/yN/xM=h(y)\frac{\partial M/\partial y - \partial N/\partial x}{-M}=h(y), then μ=eh(y)dx\mu=e^{\int h(y)\mathrm{d}x}

Linear Equation

y+p(x)y=q(x)y'+p(x)y=q(x)

两边同乘 epdxe^{\int p \mathrm{d}x}

可降阶的情况

eg. y+k2y=0y''+k^2y=0

Set y=py'=p, y=dpdx=dpdydydx=dpdypy''=\frac{dp}{dx}=\frac{dp}{dy} \frac{dy}{dx}=\frac{dp}{dy}p (想办法不要让x存在,这样只有p y两个量)

dpdyp+k2y=0\frac{dp}{dy}p+k^2y=0

pdp=k2ydyp\mathrm{d}p=-k^2y\mathrm{d}y

Reminders

  • 用拉普拉斯求偏微分方程的时候,注意是对时间(t)变换
  • 用separation variable的时候,比值可以是p2-p^2 or λ-\lambda,取决于得到的ODE的形式,y=ρYy=\rho Y可以用来代换;得到ODE的解的时候,思考一下函数趋于0 or 无穷的情况,可以简化系数