常微分方程:線性微分方程解的三個重要特徵

2020-12-03 電子通信和數學

前一篇《帶你走進微積分的堂學習:一階線性微分方程式的基礎原理》詳細討論了線性微分方程的結構以及通解特性,本篇我們藉此機會指出一階線性微分方程解的三個重要特徵

1)有一階線性微分方程

的通解是

可以看出,它等於(1)的一個特解(對應於上式的C=0)再加相應的齊次線性(2)的通解,

因此如果求得非齊次線性微分方程(1)的一個特解為y=φ1(x)和相應的齊次線性方程(2)的通解,則(1)的通解為

2)設a(x)和b(x)在區間α<x<β上連續,則由上述通解公式可知,線性微分方程(1)的一切解在α<x<β上存在,面對非線性微分方程,一般就沒有這種解的全局存在性,例如非線性微分方程

關於x的定義域為-∞<x<+∞,而它的解,例如y=tanx的存在區間只是-π/2<x<π/2,這就表明,非線性微分方程解的存在區間一般是局部的,而不像線性微分方程的解那樣是全局的。

3)求線性微分方程(1)滿足初始條件

的解,由通解,得y(x0)=C,因而再由C=y0,即得初始問題的解為

根據上面的解法可知,這也是唯一的解,這就證明了對於線性微分方程的初值問題,它的解是存在並且唯一的。而對於非線性微分方程的初值問題,它的解有時就不是這樣。因此線性微分方程的解在結構上要比非線性微分方程的解簡單一些。

舉例:設跳傘員的質量為m,降落傘的浮力與它下降的速度v成正比,求下降速度v(t)的變化率。

先取坐標系,參看圖2-4,我們規定v正向指向地面,則重力w=mg是正的,而浮力f0=-kv(常數k>0)向上為負,因此跳傘員所受的外力為

而慣性力為m.dv/dt,因此,由牛頓的第二運動定律推出跳傘員的運動方程為

這裡v=v(t)是未知數,可以把上面的方程寫成

這是一個非齊次線性微分方程,用積分因子μ(t)乘上式兩端得到

再取不定積分,得到

因此,我們求得跳傘員運動方程的通解為

由此可見,結果為數

這就是說,只要跳傘員在空中有足夠長的停留時間,他到達地面時的速度近似地等於mg/k,而自由落體時按照加速度g(v=gt+v0)落到地面的。

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