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课程库 Calculus 2 S5 · 一阶常微分方程 › 第 1

什么是微分方程 —— 用变化率描述世界

普通课40 分钟

本课导读

欢迎来到微分方程。这个单元假设你已经掌握单变量微积分的核心内容(极限、导数、积分技巧),我们直接进入它们最重要的用武之地。本课解决三个问题:微分方程是什么"解"一个微分方程到底是什么意思、以及初值条件为什么不可缺少。你会发现一件出乎意料的事:你其实早就解过微分方程了。预计 40 分钟。

说明

前置工具箱(本课会用到的已学内容,只列不教):导数 yy'dydx\dfrac{dy}{dx} 的含义(瞬时变化率);基本求导公式 (ekt)=kekt(e^{kt})' = ke^{kt}(xn)=nxn1(x^n)' = nx^{n-1};不定积分与"+C"。手生了就点开下面的 30 秒回顾。

🔧 30 秒回顾 · 本课要用的旧手艺(熟练可跳过)

① 求导主力公式(ekt)=kekt(e^{kt})' = ke^{kt}(外层照抄,乘一个内层系数 kk——链式法则的最简形态);(xn)=nxn1(x^n)' = nx^{n-1}。微例:(e2t)=2e2t(e^{2t})' = 2e^{2t}(x3)=3x2(x^3)' = 3x^2——几分钟后例题 1 和正文原样要用。⚠️ 翻车点:ekte^{kt} 求导忘乘 kk

② 不定积分与 +C:求导的逆运算。微例:3x2dx=x3+C\displaystyle\int 3x^2\,dx = x^3 + Ccosxdx=sinx+C\displaystyle\int \cos x\,dx = \sin x + C(练习 3 用)。⚠️ 翻车点:丢 +C+C——本课正好要揭示 +C+C 的真身,丢了它"通解"就无从谈起。

3Blue1Brown《微分方程概论》第 1 章:微分方程漫游指南

观看要点

  • 开头 5 分钟就是本课的主旨:物理定律描述的是「变化的规则」,而不是「状态本身」
  • 留意「相空间」的画面——不解方程也能看懂系统行为,这正是本单元第 5、6 课的主角
  • 视频里的单摆是二阶方程,比本课的一阶方程复杂——现在只需看个直觉,第二个单元会正面处理
  • 看完记住一句话就够:解微分方程 = 从「怎么变」还原出「是什么」

看不了视频?文字讲义已覆盖全部内容,直接往下读即可。

从"是多少"到"怎么变"

中学到大学,你解过的方程几乎都长这样:x24=0x^2 - 4 = 0。它问的是"未知数是多少",答案是一两个数。

但现实世界的规律很少直接告诉你"是多少",它们更爱说"怎么变":

  • 一杯热咖啡:没人规定"第 3 分钟必须是 65 度"。规律是——越烫,凉得越快(降温速度和温差成正比)
  • 银行存款:合同不写"第 5 年余额多少",只写年利率——余额越大,利息涨得越快
  • 一群细菌:没有细菌数量表,只有繁殖规律——个体越多,增长越快

三句话说的是同一件事:规律约束的是变化率,而不是数值本身。把"怎么变"写成数学,就是微分方程。以咖啡为例,设 T(t)T(t)tt 时刻的咖啡温度、室温 20 度,"越烫凉得越快"写出来是:

dTdt=k(T20)\frac{dT}{dt} = -k\,(T - 20)

其中 k>0k > 0 是由杯子材质等决定的常数。读一遍这个式子:左边是温度的变化率,右边说它和温差 T20T - 20 成正比、负号表示温度在下降。咖啡 80 度时温差 60,凉得飞快;凉到 25 度时温差只剩 5,慢得几乎察觉不到——和你的生活经验完全一致。

提示

类比记忆:普通方程像快照——直接告诉你画面;微分方程像导航规则——只告诉你"每个路口怎么拐",完整路线要你自己顺着规则走出来。解微分方程,就是从导航规则还原整条路线。

什么是常微分方程

立正概念:微分方程是含有未知函数及其导数的方程。微分方程(Ordinary Differential Equation,简称 ODE)中的"常"字,指未知函数只依赖一个自变量(上面的 TT 只依赖时间 tt)。如果函数依赖多个自变量、方程里出现偏导数,那是偏微分方程(PDE)——本单元不涉及,知道名字即可。

两个随身术语:

  1. 阶(order):方程中出现的最高阶导数的阶数。y=2yy' = 2y 是一阶;y+3yy=exy'' + 3y' - y = e^x 是二阶(yy'' 说了算,右边的 exe^x 与阶数无关)
  2. 一阶 ODE 的标准长相
dydx=f(x,y)\frac{dy}{dx} = f(x,\, y)

即"yy 的变化率由当前位置 (x,y)(x, y) 决定"——导航规则在每个路口都给出唯一指示。本单元 8 课全部围绕它展开。

"解"一个微分方程,是什么意思

关键转变来了:普通方程的解是,微分方程的解是函数。说 y(x)y(x) 是方程的解,意思是把它和它的导数代入方程后,等式对定义域里的每一个 xx 都成立

好消息是:验证一个解不需要任何解方程的技巧,会求导就行。

例题 1 · 验证解

验证:对任意常数 CC,函数 y=Ce2ty = Ce^{2t} 都是方程 y=2yy' = 2y 的解。

先自己动笔,再逐步展开对照:

第 1 步 · 求左边:算出 y′

y=Ce2ty = Ce^{2t} 求导(🔧 工具箱 ①:(ekt)=kekt(e^{kt})' = ke^{kt}):

y=C2e2t=2Ce2ty' = C \cdot 2e^{2t} = 2Ce^{2t}
第 2 步 · 求右边并比对

右边是 2y=2Ce2t=2Ce2t2y = 2 \cdot Ce^{2t} = 2Ce^{2t}。左边 == 右边,且推导对所有 tt 成立、对任意 CC 成立——验证完毕。✅

注意我们同时验证了无穷多个解:C=1C=1C=3C=-3C=0.5C=0.5……每个 CC 对应一条解曲线。这个现象马上会有名字。

你其实早就解过微分方程

看这个方程:

dydx=3x2\frac{dy}{dx} = 3x^2

它问:"哪个函数的导数是 3x23x^2?"——这不就是求不定积分吗!

y=3x2dx=x3+Cy = \int 3x^2 \, dx = x^3 + C

你在积分课上写过几百次的"+C",此刻显出真身:它不是应付老师的形式主义,而是在说这个微分方程有一族解——x3x^3x3+1x^3+1x37x^3-7……全体竖直平移的曲线,条条满足"导数是 3x23x^2"。

两个术语就位:带任意常数的解叫通解(general solution,一族曲线的"全家福");取定常数后的某一条叫特解(particular solution)。

初值条件:从一族曲线里认领一条

通解回答"所有可能的轨迹",但现实问题总是问某一条:这杯咖啡(初始 80 度)多久能喝?这笔存款(本金 1 万)5 年后是多少?"初始 80 度"、"本金 1 万"就是初值条件——它从全家福里把属于你的那条曲线认领出来。"微分方程 + 初值条件"合称初值问题(IVP)。

例题 2 · 解一个初值问题

解初值问题:dydx=3x2\dfrac{dy}{dx} = 3x^2,且 y(1)=5y(1) = 5

第 1 步 · 先求通解

上一节刚做过:y=x3+Cy = x^3 + C

第 2 步 · 用初值条件钉住 C

代入 x=1x = 1y=5y = 5

5=13+CC=45 = 1^3 + C \quad\Rightarrow\quad C = 4

特解为 y=x3+4y = x^3 + 4。这就是"解初值问题"的通用两步:先通解,后定 CC——整个单元都在重复这个节奏,变的只是第一步的技巧。

回头看咖啡方程 dTdt=k(T20)\dfrac{dT}{dt} = -k(T - 20):它不像 y=3x2y' = 3x^2 那样右边只有 tt,直接积分行不通——未知的 TT 出现在等号右边,"想积分它,得先知道它",转圈了。怎么破这个圈,就是下一课的主题。另外偷偷留意:若 T=20T = 20,右边恰好是 0,温度将永远不变——这颗种子在第 5 课"平衡解"会发芽。

✍️ 练习

练习 1 · 认阶数

说出下列方程的阶数:(a) y=kyy' = -ky (b) y+9y=0y'' + 9y = 0 (c) (y)3=x+y(y')^3 = x + y

✅ 参考答案

(a) 一阶。(b) 二阶。(c) 一阶——(y)3(y')^3 是"一阶导数的三次方",最高阶导数仍是 yy'。阶数看的是导数的阶,不是幂次。

练习 2 · 验证解

验证:对任意常数 CCy=x2+Cxy = x^2 + \dfrac{C}{x} 是方程 xy+y=3x2xy' + y = 3x^2 的解(x0x \neq 0)。

✅ 参考答案

求导:y=2xCx2y' = 2x - \dfrac{C}{x^2}。代入左边:

xy+y=(2x2Cx)+(x2+Cx)=3x2xy' + y = \left(2x^2 - \frac{C}{x}\right) + \left(x^2 + \frac{C}{x}\right) = 3x^2

与右边相等,对所有 x0x \neq 0 成立。✅ 注意 CC 相关的两项恰好相消——验证解时出现这种"漂亮的抵消"通常说明你算对了。

练习 3 · 完整走一遍两步节奏

解初值问题:y=cosxy' = \cos xy(0)=1y(0) = 1

✅ 参考答案

第 1 步通解:y=cosxdx=sinx+Cy = \int \cos x \, dx = \sin x + C。第 2 步定 CC:代入 y(0)=1y(0) = 11=sin0+C=C1 = \sin 0 + C = C,故 C=1C = 1。特解:

y=sinx+1y = \sin x + 1

顺手验证:(sinx+1)=cosx(\sin x + 1)' = \cos x ✓,y(0)=0+1=1y(0) = 0 + 1 = 1 ✓。养成习惯——解完代回去查一遍,微分方程的解自带免费的正确性检验。

📝 随堂测验

随堂测验0 / 5 题正确

1. 微分方程与普通代数方程最本质的区别是?

2. 方程 $y'' + 3y' - y = e^x$ 的阶数是?

3. 要验证 $y = Ce^{2t}$ 是 $y' = 2y$ 的解,正确做法是?

4. 通解 $y = x^3 + C$ 中的 $C$ 表达的是?

5. 咖啡方程 $T' = -k(T - 20)$(室温 20 度),当某时刻 $T = 20$ 时会发生什么?

本课小结

  • 现实规律多以"怎么变"的形式出现,微分方程 = 把变化规则写成数学;解方程 = 从规则还原轨迹
  • ODE 的"常"指单自变量;阶数看最高阶导数(不看幂次);一阶标准形式 y=f(x,y)y' = f(x, y)
  • 微分方程的解是函数;验证解只需求导代入、确认恒等式成立——不需要任何解题技巧
  • 通解带任意常数 CC(一族曲线),初值条件钉住 CC特解;"先通解、后定 CC"是贯穿全单元的两步节奏
  • 咖啡方程 T=k(T20)T' = -k(T-20) 还解不了:未知函数出现在右边,直接积分转圈——下一课可分离变量法专治这个

延伸阅读(可选,跳过不影响主线)

下一课我们正面攻破咖啡方程:可分离变量法——把 yyxx 各自赶回等号两边,让"转圈"的积分重新变得可积。

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讨论

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