常微分方程

考点定位

  • 大纲位置:高等数学第四章,解方程"程序化"程度最高——识别类型 → 套固定流程 → 算准
  • 常见题型:一阶方程识别与求解、二阶常系数齐次/非齐次通解、可降阶方程、含变限积分的方程(求导脱限)、由几何/物理条件列方程
  • 考查频率:高。解答题几乎每年一道,且常与变限积分、几何应用综合
  • 定位:全部考法收敛为"类型识别表 + 特解设法表"两张表;综合题套路是"求导脱限 → 带初始条件的方程 → 回代验证"

卷种差异(卷种确认前按数一超集学,确认后可划走):可降阶方程数一数二大纲均含;伯努利方程、全微分方程、欧拉方程仅数一考。

核心讲解

类型识别总表(一阶)

拿到一阶方程先化成标准形态(把 解出来或写成 ),再对照:

形态特征类型解法入口
可分离变量
齐次令 (即 ,)化为可分离
一阶线性通解公式(见下)
()伯努利(仅数一)除以 ,令 化为一阶线性

识别技巧:看各项关于 的"总次数"是否相同(齐次的代数特征: 型每项次数一致)。

一阶线性方程与常数变易法推导

对 ,先解齐次方程 (可分离):

常数变易:把常数 升级为待定函数 ,设 ,代回原方程:

中间两项相消,剩下 ,积分得 。于是通解公式:

使用公式前必须化成标准形态( 的系数为 1),否则 取错全盘皆输。理解推导比背公式可靠——考场上现推 30 秒,比记错公式强。

伯努利方程(仅数一)

:两边除以 (),得 。注意 的导数恰是 ,令 即化为一阶线性 。别忘检查 是否为解(除以 时丢掉了它)。

可降阶的二阶方程(数一数二均考)

类型特征降阶手段
右端只含 直接积分 次(每次补一个 )
不含 令 ,,降为一阶方程解 再积分
不含 令 ,,降为 关于 的一阶方程

第三类的 是本节最易错点—— 被视为 的函数,不是 的。区分口诀:缺谁不代谁(缺 则设 ;缺 则设 )。

二阶常系数齐次:特征方程法

( 为常数),猜 代入得特征方程 。三种情形:

判别式特征根通解
两不等实根
二重根 (重根补 )
共轭复根

结构定理背景:两个线性无关解的线性组合即通解。 情形的实解由欧拉公式 的实虚部拆出——记住结论即可,但要记得写 这个因子。

二阶常系数非齐次:特解设法规律表

,通解 = 齐次通解 + 非齐次特解。特解不用积分,用待定系数猜:

右端 特解设法 的取法
(多项式×指数), 为系数待定的同次多项式 不是特征根 ;单根 ;二重根
, 不是特征根 ;是特征根

三条铁律:

  1. 共振必补 : 落在特征根上时,不补 则待定方程无解(猜出的项已被齐次解吸收)
  2. cos 与 sin 成对设:右端哪怕只有 ,特解也必须同时含 与 (求导会互相产生)
  3. 多项式要设满次:右端是 就设 ,不能只设

叠加原理:右端是几项之和,特解就分别设再相加。

综合题套路:微分方程 × 变限积分 × 几何应用

含变限积分的方程(最高频综合形态)

方程形如 (或 的更复杂组合):

  1. 求导脱限:两边对 求导, 变成 ,得到微分方程
  2. 定初值:在原方程中令 (积分下限),得 ——初值藏在原方程里,不求白丢
  3. 解初值问题,重要的话最后代回原方程检验(求导可能放大解集)

变体:、 这类被积函数含 的,先拆项提出 / 换元()再求导——衔接一元函数积分学变限求导节。

几何应用列方程

翻译表:切线斜率 ;曲线在 处切线纵截距/法线条件 关于 的方程;"过点 " 初始条件。列完照旧解方程。物理应用(功、压力、质心,仅数一)同理把物理定律翻译成 与 的关系。

例题

例题 1(模拟题)一阶线性:公式或凑微分

解方程 。

解析:标准形态已就位,,。观察 恰是 的倒数,用凑微分更快:两边乘 :

积分得 ,即 。

两种殊途:这就是通解公式里"积分因子 "的手工版——公式忘了现场能重推,这是底线保障。

例题 2(模拟题)齐次方程

解 。

解析:化为 型(分子分母同除 即见 结构),令 :

积分 ,回代 :

坑:回代后结果可整理成隐式通解,不必强求显式; 处的奇性由 自然体现。

例题 3(模拟题)二阶常系数非齐次:多项式×指数共振

求 的通解。

解析:

齐次部分:,齐次通解 。

特解:右端 恰是单特征根,;(一次),设 。代入时用多项式整体代换( 因子提出)最省力:记 ,则 ,其中 ,:

比较系数:;。故 ,通解:

技巧复述: 型右端代入时保持 不动、只算多项式组合 ,比三次求导快得多且不易错。

例题 4(模拟题)可降阶:缺 x 型

解 ()。

解析:方程不含 ,令 ,:

再积分 。

坑:第一步除以 时若 (即 常数)也是解,被 情形吸收,故通解完整。

例题 5(模拟题)综合:变限积分方程

设 连续,且满足 ,求 。

解析:

求导脱限:,即 (一阶线性)。

定初值:原方程令 :。

解初值问题:积分因子 :,由 得 :

检验:,代回右边 ,成立。

套路总结:脱限 → 取初值 → 解 → 回代检验,四步缺一不可;初值必须从原方程取(求导后的方程已丢失这一信息)。

常见坑

  1. 非齐次特解不查 是否特征根:共振不补 ,待定系数方程直接矛盾(例题 3 若不补 将解不出 )
  2. 右端只有 就只设 :特解必须 、 成对。对照: 的特解是 (共振且由 承担),设 毫无胜算
  3. 一阶线性不化标准形态就取 ,符号错全盘错
  4. 可降阶"缺 x 型"把 当 的函数: 必须
  5. 变限积分方程求导后忘记取初值,或初值不从原方程取
  6. 忘写 因子: 的解是 ( 隐去),但 的解必须带
  7. 通解常数个数不足: 阶方程 个独立常数;可降阶每积一次分补一个
  8. 伯努利/欧拉方程当公共考点:二者仅数一考(卷种确认前按超集学)
  9. 特解多项式没设满次:右端 要设 ,常数项不能省

自测

  1. 解
  2. 解
  3. 求 的通解(注意共振)
  4. 求 的通解
  5. 曲线过点 ,其上任一点 处切线斜率为 ,求曲线方程

自测答案与简析

  1. 可分离:,即
  2. 化标准形 ,积分因子 :,故
  3. , 二重根,齐次通解 ;右端 是二重根,:设 ,代入得 ,。通解
  4. ,齐次通解 ; 是特征根,:设 ,代入得 ,故 、。通解
  5. 列方程 且 ,即 。积分因子 :,积分得 ,即 ;代入 得 :

本章关联