恰当微分方程的判定条件
形如的一阶常微分方程,若存在函数,使得且,则称为恰当微分方程。该方程为恰当方程的充要条件(假设与具有一阶连续偏导数)是。在尝试用恰当方程法求解前,须首先验证此条件。
Houston Math Prep · YouTube · 3:14
本视频演示了求解恰当微分方程的初始步骤。首先从方程 (-3x^2 - y) 中识别出函数 和 。接着,教师通过验证 M 对 y 的偏导数等于 N 对 x 的偏导数(二者均为 -1),确认该方程是恰当的。在此确认之后,开始构造势函数 。教师先对 M 关于 x 积分,得到 -x^3 - xy + ;再对 N 关于 y 积分,得到 - xy + 。视频在将这两个结果合并以得出通解之前结束。 本段44秒的白板内容完成了对精确微分方程 (-3x^2 - y) 的求解。板书已显示 ,,精确性检验 ∂M/∂y = ∂N/∂,以及两个原函数: - xy + 和 - xy + 。随后主讲人合并所有唯一项,并明确指出共有的项 -xy 仅包含一次,最终写出隐式解 -x^ - xy = C。由于该表达式中含有多个 y 的项,因此答案保持隐式形式,不显式解出 y。
在学习检查器中查看要点和时刻,或切换阅读标签查看完整笔记。
依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。
本视频给出微分方程 。第一步是识别其组成部分 和 ,它们分别是 和 的系数。此处, 和 。
要判断该方程是否可用恰当方程法求解,需检验恰当性条件。这要求验证对的偏导数等于对的偏导数,即。
计算偏导数:;以及。由于两个偏导数均等于,故恰当性条件满足,该微分方程被确认为恰当方程。
由于该方程是恰当的,因此存在一个势函数,使得且。其通解为。为求出,我们首先对关于积分:。
对积分(将视为常量),得到和。此处积分所得的“常数”并非简单数值,而是另一变量的任意函数,记作。因此,势函数的第一个表达式为。
接下来,对关于积分:。由此得到同一势函数的第二个表达式。
对积分(将视为常量),得到和。此处积分所得的“常数”是的任意函数,记作。因此,势函数的第二个表达式为。
本视频到此结束。后续逻辑步骤(未展示)是令两个关于的表达式相等,从而解出未知函数和,最终得到完整的势函数。
白板呈现例题1:求解一个精确微分方程。方程为,其中和。精确性检验已完成:和,因此该方程被标注为“精确”。
可见两条原函数式:和。绿色方框标出了这些表达式中非任意的部分,指示将被合并进最终答案的项。
主讲人现在从这些加框的项构造解。首先出现的是 来自关于 x 的积分,然后是 来自-积分。该术语 出现在两个原函数中,而讲解明确指出它应仅包含一次,而非多次。
完成的关系式写作。常数吸收了中间原函数中的任意函数,从而得到一个单一的隐式方程。
由于该表达式中含有的多个幂次与乘积,主讲人选择不显式解出。因此最终框出的答案以隐式形式给出:。
形如的一阶常微分方程,若存在函数,使得且,则称为恰当微分方程。该方程为恰当方程的充要条件(假设与具有一阶连续偏导数)是。在尝试用恰当方程法求解前,须首先验证此条件。
一旦确认方程为恰当方程,目标即为求出势函数。第一步是对关于积分。由于这是偏积分,积分所得的“常数”并非简单常数,而是另一变量的任意函数,记作。由此得到势函数的初始表达式:。
求势函数的第二步是对关于积分。与第一步类似,积分的“常数”是一个关于另一变量的任意函数,记为。由此得到势函数的第二个表达式:。该表达式必须与第1步中得到的表达式一致。通过比较这两个表达式,可以确定函数和,从而求出完整的势函数。该微分方程的通解即为。
对含多个变量的函数关于其中一个变量作不定积分时,其余变量均视为常量。因此,积分的“常数”并非单一数值常量,而是仅依赖于那些被视作常量的变量的任意函数。例如,对关于积分,结果为,其中是的任意函数。这一概念在求解恰当微分方程时至关重要,因为它引入了未知函数和,这些函数需在后续步骤中确定。
该例题从微分方程开始。的系数是,的系数是。
通过比较混合偏导数来验证精确性。黑板上显示和,因此等式条件成立,该方程被标记为精确。
对关于积分得到,而对关于积分得到。这两行提供了最终隐式解的各项。
在组合答案时,主讲人从第一个原函数中取,从第二个原函数中取,而对公共项只取一次。讲解中明确提醒不要将该公共项重复计入。
解以隐式方程形式保留,因为其中含有多个项。最终框出的答案为,主讲人并未直接解出。
按知识点查看条件、步骤和证据。补充解释与视频直接内容分别标明。
教师写出 。
他说:“因此,此处的 M 就是这个表达式,即 M 等于负 3x 的平方减去 y。”
M
微分方程中 dx 的系数。
关于 x 和 y 的函数。
教师写出 。
他说:“然后我们的表达式 N 是 dy 项,即 N 等于 3y 的平方减去 x。”
N
微分方程中 dy 的系数。
关于 x 和 y 的函数。
教师写出 ∂M/∂。
他解释对 M 关于 y 求偏导数。
M 关于 y 的偏导数。
一个实数或函数。
教师写出 ∂N/∂。
他解释对 N 关于 x 求偏导数。
N 关于 x 的偏导数。
一个实数或函数。
教师在 的积分结果末尾写上 + 。
他说:“我们可能含有一些实际上仅关于 y 的常数项。”
对 x 积分时,作为积分‘常数’而出现的关于 y 的任意函数。
一个关于 y 的函数。
教师在 的积分结果末尾写上 + 。
他说:“还可能包含一些涉及 x 的常数型项。”
对 y 积分时,作为积分‘常数’而出现的关于 x 的任意函数。
一个关于 x 的函数。
M 等于负3乘以 x 的2次方减去 y
M
微分方程中 dx 的系数;视作关于 x 和 y 的函数。
关于 x 和 y 的函数
N 等于3乘以 y 的2次方减去 x
N
微分方程中 dy 的系数;视作关于 x 和 y 的函数。
关于 x 和 y 的函数
∂
∂
M 关于 y 的偏导数。
实数
∂
∂
N 关于 x 的偏导数。
实数
- xy +
M 关于 x 的原函数,包含一个关于 y 的任意函数。
包含 x、y 和 的表达式
关于 y 的任意函数,由对 x 积分产生。
关于 y 的函数
教师指出:“我们首先要检验方程是否精确。检验方法是确保 M 对 y 的偏导数等于 N 对 x 的偏导数。”
他写出并计算 ∂M/∂ 和 ∂N/∂,得出二者相等。
形如 的微分方程是精确的,当且仅当 M 对 y 的偏导数等于 N 对 x 的偏导数。
方程必须写成 的形式。
M 和 N 必须具有一阶连续偏导数。
教师说:“因此我们可以按步骤求解,即寻找势函数。我们需要对 M 关于 x 进行积分。”
他写出并计算 - xy + 。
为求势函数 ,第一步是对函数 关于 x 积分。积分所得‘常数’是关于 y 的任意函数,记作 。
该微分方程已被验证为精确。
教师说:“现在对 N 关于 y 积分,此时将 x 视为常数。”
他写出并计算 - xy + 。
第二步是对函数 关于 y 进行积分。积分的‘常数’是关于 x 的任意函数,记为 。该结果必须与第1步所得结果一致。
该微分方程已被验证为恰当方程。
(-3x^2 - y)
,
该例题从微分方程 (-3x^2 - y) 出发,其中 M 被认定为 dx 的系数,N 被认定为 dy 的系数。
M 是 dx 的系数
N 是 dy 的系数
∂M/∂
∂N/∂
精确的
视频通过比较混合偏导数 ∂M/∂y 和 ∂N/∂x 来检验精确性。二者均被展示为等于 -1,黑板上将该方程标记为“精确的”。
M 和 N 具有足够可微性,使得所展示的偏导数存在
混合偏导数相等被用来论证方程的精确性
- xy +
为恢复势函数的一部分,视频将 对 x 积分,视 y 为常数,并添加一个关于 y 的任意函数 。
积分是关于 x 进行的
积分常数可能依赖于 y
- xy +
视频中还对 关于 y 进行积分,将 x 视为常数,并添加一个任意函数 。
积分是关于 y 进行的
积分常数可能依赖于 x
然后包含我在此处列出的所有项,包含我在此处列出的所有项。
我们只需包含该项一次,无需多次重复。
负 x 的3次方加 y 的3次方减 xy 等于 C
最终解通过取两个原函数中所有非常数项的并集来构造:来自 的 -x^3、来自 的 ,以及仅包含一次的公共项 -xy。结果写作等于一个常数的隐式方程。
同时出现在两个原函数中的公共项只计一次
任意函数在最终的隐式形式中被吸收进单个常数 C
由于此处存在多个含 y 的项,我认为我们大概会保留该隐式形式,而不直接解出 y。
-x 的 3 次方加 y 的 3 次方减 xy 等于 C
由于解中含有多个 y 的幂次和乘积,主讲人选择保留隐式答案,而不显式地解出 y。
该方程含有多个 y 项
未尝试求出 y 的显式解
∂M/∂,∂N/∂,是恰当方程
视频未口头陈述完整定理的假设条件,仅展示了等式并写出“恰当方程”
对于所展示的方程,因 ∂M/∂y = ∂N/∂,故标记为恰当方程
M 等于负3乘以 x 的2次方减去 y
N 等于3乘以 y 的2次方减去 x
计算并比较 ∂M/∂y 和 ∂N/∂x
针对黑板上所显示的具体 M 和 N
教师在黑板上计算 ∂M/∂y 和 ∂N/∂x。
他口头解释每一项的求导过程。
从给定的微分方程中识别出 M。
题目中已给出。
写出 M 关于 y 的偏导数。
恰当性条件的定义。
计算该偏导数。其中 -3x^2 关于 y 视为常数,因此其导数为 0;-y 关于 y 的导数为 -1。
偏微分的运算法则。
从给定的微分方程中识别出 N。
题目中已给出。
建立 N 对 x 的偏导数。
恰当性条件的定义。
计算该偏导数。其中项 关于 x 视为常数,因此其导数为 0;而 -x 关于 x 的导数为 -1。
偏微分的运算法则。
比较这两个偏导数。
将计算所得结果直接对比。
由于两个偏导数相等,该微分方程是恰当的。
教师写出并求解积分 。
他逐项解释了关于 x 的积分过程。
写出 M 关于 x 的积分表达式。
求解恰当方程方法的第1步。
利用积分的线性性质,将该积分拆分为两部分。
积分的线性性质。
对每一项分别积分。-3x^2 的积分为 -x^3;-y 关于 x 的积分为 -xy。由于 y 被视为常数,积分常数为关于 y 的任意函数 。
幂函数积分法则及对单一变量积分的规则。
势函数的偏解为 - xy + 。
教师写出并计算积分 。
他逐项解释了关于 y 的积分过程。
写出 N 关于 y 的积分表达式。
求解恰当微分方程方法的第2步。
利用积分的线性性质,将积分拆分为两部分。
积分的线性性质。
对每一项分别积分。关于y的积分是;-x关于y的积分是-xy。由于x被视作常数,积分常数为关于x的任意函数。
幂函数积分法则及对单一变量积分的规则。
势函数的局部解为 - xy + 。
(-3x^2 - y)
∂M/∂,∂N/∂,是恰当方程
- xy +
- xy +
-x 的 3 次方加 y 的 3 次方减 xy 等于 C
从给定的微分方程中识别 dx 和 dy 的系数。
直接从黑板上读取。
计算恰当性检验所需的混合偏导数。
对屏幕上显示的 M 和 N 进行求导。
比较这两个偏导数,并得出该方程是恰当方程的结论。
两个显示的值均为 -1,黑板上写出“Exact”。
对 x 积分 M,同时将 y 视为常数。
对 -3x^2 - y 应用求原函数法则。
对 y 积分 N,同时将 x 视为常数。
对 应用求原函数法则。
合并两个原函数中的不同项,并将共有的项 -xy 仅计一次,再将任意函数合并为一个常数。
音频讲解:解包含两行的所有项,但共有项只需出现一次。
该恰当微分方程的隐式解为 -x^ - xy = C。
整段视频专门用于求解这一个例子。
讲师从头到尾全程讲解该解题过程。
将结果合并以得到通解的最后一步,在本片段中未展示。
求解微分方程(-3x^2 - y)。
微分方程(-3x^2 - y)。
通过确定势函数 来求通解。
从方程的标准形式中识别出 M 和 N。
M 和 N 的定义。
计算偏导数以检验是否为恰当微分方程。
恰当微分方程的判定条件。
由于偏导数相等,可得出该方程是恰当的。
恰当方程的定义。
对 M 关于 x 积分,以求得势函数 的一部分。
求解恰当方程的方法。
对 N 关于 y 积分,以求得势函数 的另一部分。
求解恰当方程的方法。
本片段在最终答案给出前结束。势函数 的两个表达式已分别求出,但尚未合并。
验证步骤需要对最终的 求偏导数,以确保 ∂F/∂ 且 ∂F/∂。该步骤在视频片段中未执行。
恰当方程的求解——例题 1
(-3x^2 - y)
负 x 的3次方加 y 的3次方减 xy 等于 C
求解微分方程 (-3x^2 - y)。
方程:(-3x^2 - y)
的幂次2 减 y
N 等于 3y的幂次2 减 x
求该恰当微分方程的隐式解。
通过比较混合偏导数来检验恰当性。
黑板上展示了恰当性检验过程。
对 dx 的系数关于 x 进行积分。
求解恰当方程的标准步骤。
对 dy 的系数关于 y 进行积分。
求解恰当方程的标准步骤。
从两个原函数中收集所有不重复的项,并将结果写为等于一个常数。
音频说明:公共项只计入一次,最终表达式等于某个常数。
负 x 的幂次3 加 y 的幂次3 减 xy 等于 C
视频通过展示 ∂M/∂y = ∂N/∂ 来验证方程的恰当性,随后给出最终的隐式解。
微分方程显示在屏幕上。
微分方程 (-3x^2 - y)
该方程显示在屏幕上。
方程本身不发生变化。
这确立了待求解的问题。
教师写出偏导数 ∂M/∂y 和 ∂N/∂x,计算得其值均为 -1,并写下单词 'Exact'。
∂M/∂y 和 ∂N/∂x 的表达式
'Exact' 这个词
偏导数被计算并显示为相等。
结论“恰当”被写出。
原方程保留在屏幕上。
该视觉序列演示了判断微分方程是否恰当的检验过程。
教师写出并计算积分 和 。
积分表达式 和
积分结果
对 M 关于 x 的积分被计算。
对 N 关于 y 的积分被计算。
原方程与恰当性检验保留在屏幕上。
这展示了通过分别对 M 和 N 积分来构造势函数 的两个并行过程。
在第一条积分行中,-x^3 - xy 被绿色方框标出;在第二条积分行中, - xy 被绿色方框标出。
积分表达式 - xy +
积分表达式 - xy +
绿色矩形框
方框标出了每个原函数中不含任意函数的部分
公共项 -xy 在两个带框表达式中均清晰可见
任意函数 和 均位于方框之外
此前验证恰当性的演算仍保留在上方可见
这种视觉强调指明了两个原函数中哪些项将被合并进最终的隐式解。
主讲人先写下 -x^3,再写下 + ,接着写下 - xy,最后在方框表达式下方写下 = C。
用绿色方框将最终完成的方程框起来。
在积分号下方另起一行
最终方程为 -x^ - xy = C
用绿色方框框住最终方程
各项从左到右依次相加
完整的解被框在一个方框内
黑板上方内容保持不变,仅在最后一行书写新内容
动画展示了如何将先前已识别的各项组合成最终的隐式解。
教师明确指出,积分常数是另一变量的函数:“我们可能含有一些实际上关于 y 的常数项”。
他写成 和 ,而不是一个简单的常数 C。
对多元函数关于某一变量积分时,积分常数只是一个数。
积分常数是其余变量的任意函数:对 x 积分时,“常数”是关于 y 的函数 ;对 y 积分时,“常数”是关于 x 的函数 。
然后它们都含有 - xy 项。我们只需包含一次,无需重复多次。
在合并 和 的结果时,可能会错误地将公共项 -xy 写两次。
视频明确指出,公共项 -xy 在最终解中仅需包含一次。
由于此处含有多个含 y 的项,我们很可能保留隐式形式,而不直接解出 y。
有人可能误以为最终答案必须始终显式解出 y。
由于该表达式含有多个含 y 的项,主讲人选择将答案保留为隐式形式,而非直接解出 y。
在确认方程是恰当方程后,讲师说道:“因此我们可以按步骤来求解它……”
验证方程是否为恰当方程,是在通过积分法寻找势函数之前必须进行的第一步。
讲师直接从写出 的结果,转入开始计算 。
求解恰当方程的整体方法包含这两个顺序进行的积分步骤,其结果必须一致,才能构成最终的势函数。
∂M/∂, ∂N/∂, 是恰当方程,随后计算 和
视频首先验证恰当性,然后才对 M 和 N 分别积分以构造通解。
M 对 x 的积分等于 负 x 的幂次3 减 xy 加
N 对 y 的积分等于 y 的幂次3 - xy +
接着包含我在此处列出的所有项,包含我在此处列出的所有项。
第二个原函数提供了 项,并确认了用于构造最终隐式解的公共项 -xy。
我认为我们大概会保留这个形式,而不直接解出 y。
负 x 的3次方加 y 的3次方减 xy 等于 C
合并后的表达式以隐式形式作为最终答案呈现,而非重新整理以显式解出 y。
讲师讲解了如何检验恰当性。
讲师解释了为何对 x 积分时积分常数是关于 y 的函数。
教师在确认方程为恰当微分方程后,概述了解题步骤。
∂M/∂,∂N/∂,是恰当方程。
- xy +
我们只需包含该项一次,无需重复多次。
由于此处存在多个含 y 的项,我认为我们大概会保留这个形式,而不直接解出 y。
已覆盖 · 问题引入及函数 M 与 N 的识别。
已覆盖 · 通过计算偏导数来检验恰当性条件。
已覆盖 · 解法的第一步:对 M 关于 x 积分。
已覆盖 · 解法的第二步:对 N 关于 y 积分。该片段在最终解整合完成前结束。
已覆盖 · 黑板上已展示例题方程、恰当性检验以及两个原函数;讲解者开始说明哪些项将被保留在最终结果中。
已覆盖 · 主讲人逐项写出最终表达式,并解释共有的 -xy 项仅需包含一次。
已覆盖 · 完整的隐式解被框出,主讲人指出该解不会直接解出 y。
示例方程 (-3x^2 - y) 的最终隐式解是 -x^ - xy = C。
适用条件:方程是恰当的。;项的组合正确且没有重复计算。
项 -xy 出现在对 x 积分 M 和对 y 积分 N 的结果中。在组合结果以形成势函数时,共享项应只包含一次以避免重复计算。
适用条件:项 -xy 存在于两个原函数中。
当对多变量函数关于一个变量进行积分时,其他变量被视为常数。因此,“积分常数”可以是仅依赖于其他变量的任何函数,在这种情况下是 y。
适用条件:积分是关于 x 的。;函数 M 依赖于 x 和 y。
主讲人将答案保留为隐式形式,因为方程包含 y 的多个幂和乘积,使得显式求解 y 变得很麻烦。
适用条件:解包含多个 y 项。;没有尝试显式求解 y。
要检查微分方程是否是恰当的,你必须验证 dx 的系数对 y 的偏导数等于 dy 的系数对 x 的偏导数。如果这些混合偏导数相等,则该方程是恰当的。
适用条件:方程必须采用 的形式。;M 和 N 必须具有连续的一阶偏导数。
步骤包括通过对 x 积分 M 和对 y 积分 N 来寻找势函数 ,然后将结果组合形成隐式解 。
适用条件:微分方程已被验证为恰当的。