黑龙江八一农垦大学：《工科高等数学》课程教学资源（PPT课件）第十二章 常微分方程（12.2）可分离变量的微分方程

第二节可分离变量的微分方程 可分离变量的微分方程 四二、典型例题 四三、小结思考题

庄一可分离变量的微分方程 g(y)h=∫(x)d可分离变量的微分方程 生例如=2xyy=2 解法设函数g(y)和∫(x)是连续的, 工工工 g(y)dy=l f(x)dx 分离变量法 设函数G()和F(x)是依次为g(y)和f(x)的原函 数,G(y)=F(x)+C为微分方程的解 王页下

一、可分离变量的微分方程 g( y)dy = f (x)dx 可分离变量的微分方程. 5 4 2 2x y dx dy 例如 = 2 , 5 2 4  y dy = x dx − 解法 设函数g( y)和 f (x)是连续的,   g( y)dy = f (x)dx 设函数G( y)和F(x)是依次为g( y)和f (x) 的原函 数, G( y) = F(x) + C 为微分方程的解. 分离变量法

二、典型例题 例求解微分方程=2x的通解 解分离变量=2xx, 两端积∫2x Iny=x +Cl y=Ce为所求通解 上页

例1 求解微分方程 2xy的通解. dx dy = 解 分离变量 2xdx, y dy = 两端积分 2 ,   = xdx y dy 1 2 ln y = x + C . 2  y = Ce x 为所求通解 二、典型例题

生例2求方程(y)y+8()x=0通解 解令Ⅱ=,则Ⅶ=xd+ydx, ∫(u)ydhx+g()x t-ydx≥0, lf(u)-(uld+g(udu=0, dx g(u) x ulf(u-g(u)l du=0, 通解为lmx|+ g(u) nf()-8/d"=C. 上页

例2 求方程 f (xy) ydx + g(xy)xdy = 0 通解. 令u = xy, 则du = xdy + ydx, ( ) ( ) = 0, − +  x du ydx f u ydx g u x [ ( ) − ( )] dx + g(u)du = 0, x u f u g u 0, [ ( ) ( )] ( ) = − + du u f u g u g u x dx . [ ( ) ( )] ( ) ln | | du C u f u g u g u x = − + 通解为  解

例3衰变问题:衰变速度与未衰变原子含量M成 正比已知M=0=M求衰变过程中铀含量M() 随时间t变化的规律 解衰变懣wM 由题设条件 dM dM =-AM(>0衰变系数) =-入dt dt M 压m丁2M=2+mG,即M=C 代入M=0=M0得Mn=Ce=C M=Me-A 0 衰变规律 上页

例 3 衰变问题:衰变速度与未衰变原子含量M 成 正比,已知M t=0 = M0 ,求衰变过程中铀含量M(t) 随时间t 变化的规律. 解 , dt dM 衰变速度 由题设条件 = −M (  0衰变系数) dt dM dt M dM = − ,   = − dt M dM 代入M t=0 = M0 lnM = −t + lnC, , t M Ce− 即 = 0 得 M0 = Ce = C, t M M e −  = 0 衰变规律

例4有高为1米的半球形容器,水从它的底部小 孔流出,小孔横截面积为1平方厘米(如图)开始 时容器内盛满了水,求水从小孔流出过程中容器 里水面的高度h(水面与孔口中心间的距离)随时 间t变化规律 解由力学知识得水从孔口流 出的流量为 工工工 dv Q=乱 =062·S√2gh, 流量系数孔口截面面积重力加速度 上页

例 4 有高为1米的半球形容器, 水从它的底部小 孔流出, 小孔横截面积为1平方厘米(如图). 开始 时容器内盛满了水, 求水从小孔流出过程中容器 里水面的高度h(水面与孔口中心间的距离)随时 间t的变化规律. 解 由力学知识得,水从孔口流 出的流量为 0.62 S 2gh, dt dV Q = =  流量系数 孔口截面面积 重力加速度

S=lcm2 h 上∴d=0.62、2ghdt,(1dpmm 设在微小的时间间隔[t,t+d,o 水面的高度由h降至h+h,则W=-π2mh, r=√100-(100-1)2=√200h-h2 dD=-7(200h-h)uh, (2) 比较)和(2)0得:-7(200h-h2Mh=0.62√2ghd, 上页

100 cm h o r h h+ dh dV = 0.62 2ghdt, (1) 设在微小的时间间隔 [t, t + dt], 水面的高度由h降至 h+ dh , , 2 则dV = −r dh 100 (100 ) 200 , 2 2 2 r = − − h = h − h (200 ) , (2) 2 dV = − h− h dh 比较(1)和(2)得: (200h h )dh 2 −  − = 0.62 2ghdt, S = 1 cm , 2

日-00h=0.0.2g 即为未知函数的微分方程可分离变量 dt=- (200h-√h3)dlh, 0622g T 400 t=- h 0622g3 2-5 √h)+C, :h=100.:C= ×103 0622g15 生所求规律46523(7×0-10分+3 T 王页下

(200h h )dh 2 −  − = 0.62 2ghdt, 即为未知函数的微分方程. 可分离变量 (200 ) , 0.62 2 3 h h dh g dt −  = − ) , 5 2 3 400 ( 0.62 2 3 5 h h C g t − +  = − | 100, h t=0= 10 , 15 14 0.62 2 5     = g C (7 10 10 3 ). 4.65 2 5 3 3 5 h h g t  − +  所求规律为 =

例5某车间体积为12000立方米,开始时空气中 含有01%的CO2,为了降低车间内空气中CO2 的含量,用一台风量为每秒2000立方米的鼓风机 通入含0.03%的CO2的新鲜空气,同时以同样的 风量将混合均匀的空气排出,问鼓风机开动6分 钟后,车间内CO2的百分比降低到多少? 解设鼓风机开动后t时刻CO2的含量为x()% 工工工 在[t,t+d内, CO,的通入量=20004.0.03, CO,的排出量=2000·d·x(t), 上页

解 例5 某车间体积为12000立方米, 开始时空气中 含有 的 , 为了降低车间内空气中 的含量, 用一台风量为每秒2000立方米的鼓风机 通入含 的 的新鲜空气, 同时以同样的 风量将混合均匀的空气排出, 问鼓风机开动6分 钟后, 车间内 的百分比降低到多少? 1% CO2 0. CO2 CO2 CO2 0.03% 设鼓风机开动后 t 时刻 CO2 的含量为 x(t)% 在 [t, t + dt] 内, CO2 的通入量 CO2 的排出量 = 2000 dt  0.03, = 2000 dt  x(t)

ACO,的改变量=CO,的通入量-CO,的排出量 12000dx=2000.d.0.03-2000.dtx( (), dx 1 =-(x-0.03),→x=0.03+Ce dt 6 xL=0.1,∴C=0.07,→x=0.03+0.07e x=6=0.03+0.07e≈0.056, 6分钟后,车间内CO2的百分比降低到0.056% 上页

CO2 的改变量 = CO2 的通入量 −CO2 的排出量 12000dx = 2000 dt  0.03− 2000 dt  x(t), ( 0.03), 6 1 = − x − dt dx 0.03 , 6 1 t x Ce −  = + | 0.1,  x t=0= C = 0.07, 0.03 0.07 , 6 1 t x e −  = + | 0.03 0.07 0.056, 1 6= +  − = x e t 6分钟后, 车间内 的百分比降低到 0.056%. CO2