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微分方程用"变化率"描述世界——从牛顿力学、电路到人口模型,几乎所有动力学规律最终都写成"未知函数及其导数之间的关系"。本模块先给出一阶/二阶线性方程的系统解法,再展示如何把它们用于物理建模。

本章目标

  • 理解微分方程的阶、线性/非线性、初值问题的概念。
  • 掌握一阶方程的四类解法:可分离变量、齐次、一阶线性(积分因子)、全微分。
  • 熟练运用特征方程法求二阶线性常系数齐次方程的通解(实根/重根/复根三种情形)。
  • 会用微分方程建立物理模型(振动、电路、落体阻力、种群)。

本模块子章节

本章小结

  • 微分方程的阶由最高阶导数决定;关于未知函数及其导数为一次则线性。
  • 一阶方程四类解法:可分离变量、齐次(令 $u=y/x$)、一阶线性(积分因子 $\mu=e^{\int Pdx}$)、全微分($\partial M/\partial y=\partial N/\partial x$)。
  • 二阶常系数齐次用特征方程 $r^2+pr+q=0$:实根、重根、复根三种通解形式。
  • 非齐次通解 $=$ 齐次通解 $+$ 特解;线性算子满足叠加原理。
  • 物理建模:把定律写成方程,再求解预测系统演化。

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