高等数学 7.2 可分离变量的微分方程

时间:2024-10-21 09:17:23
假定方程 ( 3 ) (3) (3) 中的函数 g ( y ) \mathrm{g}(y) g(y) f ( x ) f(x) f(x) 是连续的。设 y = φ ( x ) y = \varphi(x) y=φ(x) 是方程 ( 3 ) (3) (3) 的解,将它代入 ( 3 ) (3) (3) 中得到恒等式
g [ φ ( x ) ] φ ′ ( x ) d x = f ( x ) d x \mathrm{g}[\varphi(x)] \varphi'(x) \mathrm{d}x = f(x) \mathrm{d}x g[φ(x)]φ(x)dx=f(x)dx
将上式两端积分,并由 y = φ ( x ) y = \varphi(x) y=φ(x) 引进变量 y y y ,得
∫ g ( y ) d y = ∫ f ( x ) d x \int \mathrm{g}(y) \mathrm{d}y = \int f(x) \mathrm{d}x g(y)dy=f(x)dx
G ( y ) G(y) G(y) F ( x ) F(x) F(x) 依次为 g ( y ) \mathrm{g}(y) g(y) f ( x ) f(x) f(x) 的原函数,于是有
G ( y ) = F ( x ) + C (4) G(y) = F(x) + C \tag{4} G(y)=F(x)+C(4)
因此方程 ( 3 ) (3) (3) 的解满足关系式 ( 4 ) (4) (4) 。反之,如果 y = Φ ( x ) y = \Phi(x) y=Φ(x) 是由关系式 ( 4 ) (4) (4) 所确定的隐函数,那么在 g ( y ) ≠ 0 \mathrm{g}(y) \neq 0 g(y)=0 的条件下, y = Φ ( x ) y = \Phi(x) y=Φ(x) 也是方程 ( 3 ) (3) (3) 的解,事实上,由隐函数的求导法可知,当 g ( y ) ≠ 0 \mathrm{g}(y) \neq 0 g(y)=0 时,
Φ ′ ( x ) = F ′ ( x ) G ′ ( y ) = f ( x ) g ( y ) , \Phi'(x) = \cfrac{F'(x)}{G'(y)} = \cfrac{f(x)}{\mathrm{g}(y)} , Φ(x)=G(y)F(x)=g(y)f(x),
这就表示函数 y = Φ ( x ) y = \Phi(x) y=Φ(x) 满足方程 ( 3 ) (3) (3) 。所以,如果已分离变量的方程 ( 3 ) (3) (3) 中, g ( y ) \mathrm{g}(y) g(y) f ( x ) f(x) f(x) 是连续的,且 g ( y ) ≠ 0 \mathrm{g}(y) \neq 0 g(y)=0 ,那么 ( 3 ) (3) (3) 式两端积分后得到的关系式 ( 4 ) (4) (4) ,就用隐式给出了方程 ( 3 ) (3) (3) 的解, ( 4 ) (4) (4) 式就叫做微分方程 ( 3 ) (3) (3)隐式解。又由于关系式 ( 4 ) (4) (4) 中含有任意常数,因此 ( 4 ) (4) (4) 式所确定的隐函数是方程 ( 3 ) (3) (3) 的通解。所以 ( 4 ) (4) (4) 式叫做微分方程 ( 3 ) (3) (3) 的隐式通解(当 f ( x ) ≠ 0 f(x) \neq 0 f(x)=0 时, ( 4 ) (4) (4) 式所确定的隐函数 x = Ψ ( y ) x = \Psi(y) x=Ψ(y) 也可认为是方程 ( 3 ) (3) (3) 的解)。