常微分方程第一章绪论.ppt
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1、内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作序序:什么是方程?:什么是方程?微分方程微分方程及其及其应用应用微分方程的微分方程的基本概念基本概念小结小结主要内容主要内容重点:重点:理解微分方程的解等基本概念。理解微分方程的解等基本概念。难点:难点:微分方程的解(解、特解、通解)、积分曲线、方向场。微分方程的解(解、特解、通解)、积分曲线、方向场。第一章第一章 绪论绪论内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作 在在初等数学初等数学中,曾经学习过代数方程,三角方程,指数方程中,曾经学习过代数方程,三角方程,指数方程
2、和对数方程等等。和对数方程等等。在在高等代数高等代数中又学习过高次代数方程,中又学习过高次代数方程,n元线元线性代数方程组。性代数方程组。这些方程(组)有一个共同点,就是作为未知而这些方程(组)有一个共同点,就是作为未知而要求的是一个或几个特定的值(称为方程的要求的是一个或几个特定的值(称为方程的根或解根或解)。但在)。但在高等高等数学数学中,常常需要研究的是另外一类性质上完全不同的方程。在中,常常需要研究的是另外一类性质上完全不同的方程。在这类方程中,作为未知而要去求的已经不是一个或几个特定的值,这类方程中,作为未知而要去求的已经不是一个或几个特定的值,而是一个函数。这类方程称为而是一个函数
3、。这类方程称为函数方程。函数方程。一、序及方程一、序及方程第一节第一节 微分方程的定义微分方程的定义内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作 例如例如数学分析数学分析中的隐函数问题,就是在一定条件下,中的隐函数问题,就是在一定条件下,由方程由方程 (*)来确定隐函数,上述方程(来确定隐函数,上述方程(*)是众所周知的)是众所周知的隐函数方隐函数方程程,它是函数方程中最简单的一种。而隐函数是所要求,它是函数方程中最简单的一种。而隐函数是所要求的未知函数。的未知函数。内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作返回
4、返回 设设 f(x)是自变量为是自变量为 x 的已知连续函数,试求函数的已知连续函数,试求函数 y=y(x)满满足下列方程:足下列方程:在数学分析中,不定积分问题在数学分析中,不定积分问题 ,实际上是,实际上是微分的逆运算问题,也可以用微分的逆运算问题,也可以用函数的概念函数的概念叙述如下:叙述如下:内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作 方程(方程(*)和方程()和方程(*)共同之处在于未知的都是函数,不)共同之处在于未知的都是函数,不同处在于方程(同处在于方程(*)中只有未知函数本身,而方程()中只有未知函数本身,而方程(*)中却出)中却出现了
5、现了未知函数的导数未知函数的导数,这种情况不仅在研究数学时会遇到,而,这种情况不仅在研究数学时会遇到,而且在研究物理学、力学、化学、生物学、工程技术、甚至若干且在研究物理学、力学、化学、生物学、工程技术、甚至若干社会科学时也会出现,因为在研究这些实际问题时,往往不能社会科学时也会出现,因为在研究这些实际问题时,往往不能直接找到所研究的那些量之间的依赖关系,但是却能建立起它直接找到所研究的那些量之间的依赖关系,但是却能建立起它们和其变化率(们和其变化率(导数导数)之间的规律,于是,)之间的规律,于是,把包含未知函数导把包含未知函数导数的方程数的方程叫做叫做微分方程微分方程.二、微分方程的定义二、
6、微分方程的定义内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作 数学分析数学分析中所研究的函数,是反映客观现实世界运动过中所研究的函数,是反映客观现实世界运动过程中量与量之间的一种关系,但是在大量的实际问题中遇到程中量与量之间的一种关系,但是在大量的实际问题中遇到稍为复杂的一些运动过程时,反映运动规律的量与量之间的稍为复杂的一些运动过程时,反映运动规律的量与量之间的关系关系(即函数即函数)往往往往不能直接写出来,不能直接写出来,却比较容易建立这些变却比较容易建立这些变量和它们的导数量和它们的导数(或微分或微分)间的关系式间的关系式.内江师范学院数学与信息科学
7、学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作 微分方程微分方程是数学中的古老分支之一它与动力系统紧密相是数学中的古老分支之一它与动力系统紧密相关并有重要应用价值如分支问题、混沌问题、非线性振动的关并有重要应用价值如分支问题、混沌问题、非线性振动的复杂性,以及常微分方程与其他学科的关联问题复杂性,以及常微分方程与其他学科的关联问题内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作 偏微分方程偏微分方程是研究客观世界数量间相互制约关系的有力是研究客观世界数量间相互制约关系的有力工具它的研究对象来源于数学的其它分支和自然科学及工工具它的研究对象来源于数
8、学的其它分支和自然科学及工程技术中的有关问题在本世纪中偏微分方程的理论取得了程技术中的有关问题在本世纪中偏微分方程的理论取得了重大进展,但是关于偏微分方程初始边值问题适定性的研究重大进展,但是关于偏微分方程初始边值问题适定性的研究还有许多问题还有许多问题返回返回内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作三、物体冷却过程的数学模型三、物体冷却过程的数学模型 问题一问题一:将某物体放置于空气中,在时刻:将某物体放置于空气中,在时刻 时,时,测量得它的温度为测量得它的温度为 ,10分钟后测量得温度为分钟后测量得温度为 .问题与要求问题与要求:决定此物体的温度
9、:决定此物体的温度 和时间和时间 的关系,的关系,并计算并计算20分钟后物体的温度。分钟后物体的温度。基本假设基本假设:空气的温度保持为:空气的温度保持为 .内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作 了解有关物体温度变化的基本规律:热量了解有关物体温度变化的基本规律:热量总是从温度高的物体向温度低的物体传导;在总是从温度高的物体向温度低的物体传导;在一定的温度范围内(其中包括了上述问题的温一定的温度范围内(其中包括了上述问题的温度在内),一个物体的温度变化速度与这一物度在内),一个物体的温度变化速度与这一物体和其所在介质温度的差值成比例,这就是牛体和
10、其所在介质温度的差值成比例,这就是牛顿(顿(Newton)冷却定律)冷却定律.分分 析析内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作假设:假设:设物体在时刻的温度为设物体在时刻的温度为 ,则温度的变,则温度的变化速度以化速度以 来表示。注意到热量总是从温度高的来表示。注意到热量总是从温度高的物体向温度低的物体传导的。因而物体向温度低的物体传导的。因而 ,所以温,所以温差差 恒正;又因物体将随时间而逐渐冷却,故恒正;又因物体将随时间而逐渐冷却,故温度变化速度温度变化速度 恒为负。因此由牛顿冷却规律得恒为负。因此由牛顿冷却规律得到到:其中其中k是比例常数,方
11、程(是比例常数,方程(1.1)就是物体冷却过程的数学模型,它含有未)就是物体冷却过程的数学模型,它含有未知函数知函数u及它的及它的(一阶一阶)导数导数 ,这样的方程,就成为(一阶),这样的方程,就成为(一阶)微分方程微分方程。内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作改写(1.1)为:变量变量u和和t被分离出来了被分离出来了,对上式两边积分得到对上式两边积分得到:由此,令由此,令 ,有:,有:代入初始条件,并整理得到:代入初始条件,并整理得到:解曲线其中其中 是积分常数,对上式进行变形又得到:是积分常数,对上式进行变形又得到:图解图解分析:分析:符合实
12、际情况,真实地反映了物理现象,即高温符合实际情况,真实地反映了物理现象,即高温物体在低温环境中的温度变化过程和情况物体在低温环境中的温度变化过程和情况.内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作问题二问题二:数学摆(下图)的运动方程:数学摆(下图)的运动方程(下面三个方程下面三个方程).MQOAPmg内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作问题三问题三 :R-L-C电路电流方程;电路电流方程;问题四问题四:R-L电路电流方程;电路电流方程;其它问题其它问题:人口模型、传染病模型、两种生物种群生态模型、:人口模
13、型、传染病模型、两种生物种群生态模型、天气预报模型(天气预报模型(Lorenz方程)和化学动力学模型等方程)和化学动力学模型等人口增长模型(人口增长模型(Logistic):天气预报模型(天气预报模型(Lorenz方程)方程):分支与混沌!分支与混沌!内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作 前面介绍一些物理背景,其实在自然科学和技术科学的前面介绍一些物理背景,其实在自然科学和技术科学的其它领域中,例如化学、生物学、自动控制、电子技术、分其它领域中,例如化学、生物学、自动控制、电子技术、分支问题、混沌问题、非线性振动的复杂性等等,都提出了大支问题、混
14、沌问题、非线性振动的复杂性等等,都提出了大量的量的微分方程问题微分方程问题.同样在社会科学的一些领域里也存在着同样在社会科学的一些领域里也存在着微分方程的问题微分方程的问题.内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作 因此,因此,微分方程微分方程是一门与实际联系比较密切的数学课程,应是一门与实际联系比较密切的数学课程,应该注意它的实际背景与应用;而作为一门数学基础课程,又应该该注意它的实际背景与应用;而作为一门数学基础课程,又应该把重点放在把重点放在应用数学方法研究微分方程本身应用数学方法研究微分方程本身的问题上的问题上.返回返回内江师范学院数学与信息
15、科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作第二节第二节 微分方程的基本概念微分方程的基本概念定义定义:把包含未知函数导数的方程叫做:把包含未知函数导数的方程叫做 微分方程微分方程.例例如方程如方程(1.1).1、微分方程、微分方程定义的注定义的注:联系自变量、未知函数及它的导数联系自变量、未知函数及它的导数(或或微分微分)的关系式的关系式,数学上称为数学上称为微分方程微分方程.内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作设设 是自变量是自变量 的已知连续函数的已知连续函数,试求试求函数函数 满足方程满足方程 在数学分析中,不定积分问题
16、,实际上是微分的逆运算问题,也可以用函数的概念函数的概念叙述如下:分析:分析:上述(上述(*)方程就是一个典型的)方程就是一个典型的微分方程微分方程.内江师范学院数学与信息科学学院内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾吴开腾 制作制作2、什么是、什么是常微分方程常微分方程?定义:在所讨论的微分方程中,当未知函数是一元函数定义:在所讨论的微分方程中,当未知函数是一元函数时,称为时,称为常微分方程常微分方程,而未知函数是多元函数时,称为,而未知函数是多元函数时,称为偏微分方程偏微分方程.偏微分方程:偏微分方程:常微分方程:常微分方程:二阶,线性二阶,线性二阶,线性二阶,线性一阶,线性一阶,线性二阶
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- 微分方程 第一章 绪论
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