一般来说,解二元一阶微分方程组有2种方法,消元法和求导法
(1)如果方程组是2个形如 a d x d t + b d y d t + f ( x , y ) = 0 \mathrm{a} \frac{\mathrm{d} \mathrm{x}}{\mathrm{dt}}+b \frac{d y}{d t}+f(x, y)=0 adtdx+bdtdy+f(x,y)=0 的方程组成,那么可以使用消元法消去t,得到的特解的形式是关于x和y的隐函数,即g(x,y)=0
(2)如果方程组是二元一阶常系数线性微分方程组,即2个形如 a d x d t + b d y d t + c x + d y = f ( t ) \mathrm{a} \frac{\mathrm{d} \mathrm{x}}{\mathrm{dt}}+b \frac{d y}{d t}+\mathrm{c} x+d y=f(t) adtdx+bdtdy+cx+dy=f(t) 的方程组成,那么可以使用求导法消去x或者y,得到的特解的形式是g(x,t)=0,h(y,t)=0
这2种形式就涵盖了常见的方程组,特殊的方程组这里不做讨论
一般来说,对于一个特定的方程组,只能选择其中特定的一种解法,得到的解的形式也是固定的,用另外一种解法是几乎解不出来的,2种形式的特解一般也很难互相转化,除非表达式非常非常简单。
下面举例说明如何解:
解方程
{ 2 d x d t − 4 x + d y d t − y = e y ( 1 ) d x d t + 3 x + y = 0 ( 2 ) \left\{\begin{array}{l}2 \frac{d x}{d t}-4 x+\frac{d y}{d t}-y=e^{y} \,(1)\\ \frac{d x}{d t}+3 x+y=0\,(2)\end{array}\right. {2dtdx−4x+dtdy−y=ey(1)dtdx+3x+y=0(2)
这是最新一期网上高数测试的题
很明显是第一种形式, a d x d t + b d y d t + f ( x , y ) = 0 , \quad \mathrm{a} \frac{\mathrm{d} \mathrm{x}}{\mathrm{dt}}+b \frac{d y}{d t}+f(x, y)=0, adtdx+bdtdy+f(x,y)=0, 用消元法首先解出 d x / d t \mathrm{dx} / \mathrm{dt} dx/dt 和 d y / d t , \mathrm{dy} / \mathrm{dt}, dy/dt, d x d t = − 3 x − y , d y d t = e y + 10 x + 3 y \frac{d x}{d t}=-3 x-y, \frac{d y}{d t}=e^{y}+10 x+3 y dtdx=−3x−y,dtdy=ey+10x+3y
然后两式相除, d y d x = e y + 10 x + 3 y − 3 x − y \frac{d y}{d x}=\frac{e^{y}+10 x+3 y}{-3 x-y} dxdy=−3x−yey+10x+3y
然后化成全微分方程 ( − 3 x − y ) d y = ( e y + 10 x + 3 y ) d x (-3 \mathrm{x}-y) d y=\left(e^{y}+10 x+3 y\right) d x (−3x−y)dy=(ey+10x+3y)dx
即 − e y d x = d ( 5 x 2 + 3 x y + 1 2 y 2 ) \text { 即 }-e^{y} d x=d\left(5 x^{2}+3 x y+\frac{1}{2} y^{2}\right) 即 −eydx=d(5x2+3xy+21y2)
应该是无解的,所以我合理的怀疑应该是打印错了, e y e^{y} ey 应该改成 e x , e^{\mathrm{x}}, ex, 这样的话,
− e x d x = d ( 5 x 2 + 3 x y + 1 2 y 2 ) -e^{x} d x=d\left(5 x^{2}+3 x y+\frac{1}{2} y^{2}\right) −exdx=d(5x2+3xy+21y2) 的解为 5 x 2 + 3 x y + 1 2 y 2 + e x = C 5 x^{2}+3 x y+\frac{1}{2} y^{2}+e^{x}=C 5x2+3xy+21y2+ex=C 其中 C C C 为任意常数
然而候选答案不是这样的,候选答案是第二种形式,
所以 e y e^{y} ey 其实应该改成 e t e^{\mathrm{t}} et
{ 2 d x d t − 4 x + d y d t − y = e t ( 1 ) d x d t + 3 x + y = 0 ( 2 ) \left\{\begin{array}{l}2 \frac{\mathrm{d} \mathrm{x}}{\mathrm{dt}}-4 \mathrm{x}+\frac{d y}{d t}-y=e^{\mathrm{t}} \,(1) \\ \frac{\mathrm{d} \mathrm{x}}{\mathrm{dt}}+3 \mathrm{x}+y=0\,(2)\end{array}\right. {2dtdx−4x+dtdy−y=et(1)dtdx+3x+y=0(2)
对 (2) 求导得 d 2 x d t 2 + 3 d x d t + d y d t = 0 \frac{\mathrm{d}^{2} \mathrm{x}}{\mathrm{dt}^{2}}+3 \frac{\mathrm{d} \mathrm{x}}{\mathrm{dt}}+\frac{d y}{d t}=0 dt2d2x+3dtdx+dtdy=0
( 1 ) + ( 2 ) − ( 3 ) (1)+(2)-(3) (1)+(2)−(3) 得 d 2 x d t 2 = − x − e t \frac{\mathrm{d}^{2} \mathrm{x}}{\mathrm{dt}^{2}}=-\mathrm{x}-e^{t} dt2d2x=−x−et
由此解出 x,再根据(2)即可解出 y