有趣的数学 用示例来阐述什么是初值问题一

一、初值问题简述

        在多变量微积分中,初值问题是一个常微分方程以及一个初始条件,该初始条件指定域中给定点处未知函数的值。在物理学或其他科学中对系统进行建模通常相当于解决初始值问题。

        通常给定的微分方程有无数个解,因此我们很自然地会问我们要使用哪一个。要选择一种解决方案,需要更多信息。一些有用的特定信息是初始值,它是用于查找特定解决方案的有序对。

具有一个或多个初始值的微分方程称为初值问题

        一般规则是初值问题所需的初值数量等于微分方程的阶数。例如,如果我们有微分方程{y}^{\prime }=2x, 然后y\left(3\right)=7是一个初始值,当这些方程放在一起时,就形成了一个初始值问题。

        微分方程y^{​{\prime }{\prime }}-3{y}^{\prime }+2y=4{e}^{x}是二阶的,所以我们需要两个初始值。对于阶数大于1的初始值问题,自变量应使用相同的值。该二阶方程的初始值的一个示例是yy\left(0\right)=2{y}^{\prime }\left(0\right)=-1。这两个初值与微分方程一起构成初值问题。

        这些问题之所以如此命名,是因为未知函数中的自变量通常是t,代表时间。因此,值为t=0代表问题的开始。

二、示例1

        验证该功能y=2{e}^{-2t}+{e}^{t}是初值问题的一个解{y}^{\prime }+2y=3{e}^{t},y\left(0\right)=3

        对于满足初值问题的函数,它必须同时满足微分方程和初始条件。为了表明y满足微分方程,我们首先计算{y}'

        这给出了{y}^{\prime }=-4{e}^{-2t}+{e}^{t},接下来我们将两者替换y{y}'代入微分方程左侧并化简:

\begin{array}{cc}{y}^{\prime }+2y\hfill & =\left(-4{e}^{-2t}+{e}^{t}\right)+2\left(2{e}^{-2t}+{e}^{t}\right)\hfill \\ & =-4{e}^{-2t}+{e}^{t}+4{e}^{-2t}+2{e}^{t}\hfill \\ & =3{e}^{t}.\hfill \end{array}

        这等于微分方程的右侧,所以使用y=2{e}^{-2t}+{e}^{t}

        接下来我们计算y\left(0\right)

\begin{array}{cc}y\left(0\right)\hfill & =2{e}^{-2\left(0\right)}+{e}^{0}\hfill \\ & =2+1\hfill \\ & =3.\hfill \end{array}

        该结果验证了初始值。因此给定函数满足初值问题。

三、小结

        在前面的示例中,初始值问题由两部分组成。第一部分是微分方程{y}^{\prime }+2y=3{e}^{x},第二部分是初始值y\left(0\right)=3。这两个方程共同构成了初值问题。

        一般来说也是如此。初值问题由两部分组成:微分方程和初始条件。

        微分方程有一系列解,初始条件决定了C。示例中微分方程的解族由下式给出y=2{e}^{-2t}+C{e}^{t}。该解决方案系列如图 2 所示,其中对特定解决方案y=2{e}^{-2t}+{e}^{t}进行了标记。

四、测试

        对于c的任何值,函数y=ce^{-2x}+e^{-x},是方程的解{y}' + 2y = e^{-x},求c的值,对于该值,解满足初始条件y(3) = 10

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提取码:ssl9

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