微積分
林光賢 陳天進 劉明郎 著
第十章 微分方程
課程目標
微分方程簡介
分離變數法
微分方程的應用
一階線性微分方程
微分方程的近似解
第十章 微分方程 2
微分方程簡介
我們曾學習過代數方程以及如何求其解,例如:
x2 - 2x3 = 0 即為一個代數方程且 x = 3 與 –1 為此方
程的解。在微積分裡,我們探討在一個方程中涉及
一個未知函數以及其導數,這樣的方程即稱為微分
方程。例如:
(a) y 3x 1 微分方程的解即指某一
(b)
d2y
x2 2 x 1 函數 y = f(x) 滿足所給定
dx 2 的微分方程。
(c) xy 2 y y x 1
(d) y y 0
(e) y ky
第十章 微分方程 10-1 微分方程簡介 3
證明函數為微分方程之解
設 C 為任意常數,證明 y = x2 + C 為 y' = 2x 之解。
解: 顯然地,y' = 2x,故 y = x2 + C 為 y' = 2x 之解。
證明 y = sin x 為 y'' + y = 0 之解。
解: y' = cos x,y'' = - sin x 。
因此
y'' + y = - sin x + cos x = 0
所以,y = sin x 為 y'' + y = 0 之解。
第十章 微分方程 10-1 微分方程簡介 4
微分方程簡介
我們通常根據微分方程中未知函數之導數的階數
(order)來分類,若僅涉及一階導數,則此微分方程
稱為一階微分方程 (first-order differential equation);
若涉及二階導數,則稱之為二階微分方程 (second-
order differential equation),以此類推。
例如: y' = 2x + 1,x2y' = 2y,y' = y 皆為一階微分方
程。
y'' + y = 0 與 x2y'' + 2xy' + y = 2x 皆為二階微分方程。
第十章 微分方程 10-1 微分方程簡介 5
微分方程簡介
在例中,我們證明了 y = x2 + C 為 y' = 2x 之解,這種解稱為
微分方程式 y' = 2x 的 一般解 (general solution);若代入特殊
的常數 C ,例如 C = 1,則 y = x2 + 1 稱為微分方程 y' = 2x 的
特解 (particular solution)。
以函數圖形來看,y = x2 + C
在平面代表的是拋物線,如
右圖所示,而 y = x2 + 1 為其
中的一個拋物線。
微分方程的一般解為一群函
數圖形而特解指的是其中的
一個函數圖形。
第十章 微分方程 10-1 微分方程簡介 6
微分方程之一般解/特解
證明微分方程之一般解
設 C 為任意常數,則 y = Cex 為 y' = y 之一般解。
解: y' = Cex = y,故 y = Cex 為 y' = y 之一般解。
證明微分方程之特解
證明 y = -ex 為 y' = y 之特解。
解: y' = -ex = y,故 y = -ex 為 y' = y 之特解。
下例中之函數 y = -ex 即為上例的一般解中滿足
y(0) = -1 這個條件的函數。這個條件 y(0) = -1 稱為
微分方程 y' = y 之初始條件(initial condition)。
第十章 微分方程 10-1 微分方程簡介 7
微分方程之特解
證明 y = ex + e-2x 為 y'' + y' - 2y = 0 之特解。
解: y' = ex - 2e-2x
y'' = ex 4e-2x
所以
y y - 2 y (e x 4e-2 x ) (e x - 2e-2 x ) - 2(e x e-2 x )
( e x e x - 2e x ) ( 4e - 2 x - 2e - 2 x - 2e - 2 x ) 0
故 y = ex + e-2x 為 y'' + y' - 2y = 0 之特解。
第十章 微分方程 10-1 微分方程簡介 8
分離變數法
面對微分方程,最重要的課題是如何求其解。我們介紹最基本
的一種解法,即分離變數法 (separation of variables),最簡單的
一階微分方程 y' = f(x),若以微分的表示法可得
dy
dx
f (x ) dy f ( x)dx
因此,兩邊積分
dy f ( x)dx 即求得 y f ( x)dx
檢視這個微分方程,它有一個特點,即 x 和 y 這兩個變數是可
以被分離的,即 y 變數在等號的左邊,而 x 變數在等號的右邊
,若一個微分方程具備有此特性,則對等號兩邊積分即可求得
其解,此即分離變數法。
第十章 微分方程 10-2 分離變數法 9
分離變數法
分離變數法: 設 y g (( y ) ,g(y) 0,為一階微分方程
f x)
式,則其一般解可由
g ( y )dy f ( x)dx
求得。
由微分表示法得知
dy f ( x)
dx
g( y) g ( y )dy f ( x)dx
兩邊積分,得
g ( y )dy f ( x)dx
故 y g ( y )dy f ( x)dx。
f ( x)
之一般解必須滿足
g( y)
第十章 微分方程 10-2 分離變數法 10
求一般解
求 y' = x / y2 之一般解。
解: 由分離變數法知
y 2dy xdx y 2dy xdx 1
3
y 3 1 x 2 C1
2
由故此方程式的一般解滿足 y3 = 3x2 / 2 + 3C1。令 C
= 3C1,則 C 仍為常數。因此
y3 3
2
x2 C
為此微分方程的一般解。
第十章 微分方程 10-2 分離變數法 11
求特解
y ky 之解。
求
y ( 0) y 0
解: 由分離變數法知
y ky dx yk kdx
dy dy dy
y
kdx y
ln |y| kx C1 | y | ekx C1 eC1 e kx
Cekx
通常在實際的應用問題上,y 為正值函數,故
y = Cekx
由 y(0) = y0,知 C = y0。故其解為 y = y0ekx。
第十章 微分方程 10-2 分離變數法 12
求一般解
求 y' = 3x2y2 + 2xy2 之一般解。
解: y' = 3x2y2 + 2xy2 = (3x2 + 2x) y2
由分離變數法, dy (3 x 2 2 x )dx
2
y
y (3x 2 2 x )dx -
dy
故 2
1
y
x3 x2 C
所以, y - 1 為此微分方程的一般解。
x 3 x 2 C
第十章 微分方程 10-2 分離變數法 13
求特解
求 y 2 x ( y 1) 之解。
y ( 0) 2
解: y 2 x ( y 1)
dy
y 1
2 xdx
2 xdx ln | y 1 | x 2 C1
dy
y 1
假設 y + 1 > 0,得
x 2 C1 C1 x 2 x2
y 1 e e e Ce ( C = eC1為常數)
x2
y -1 Ce
令 x = 0,得 2 = -1 + C,即 C = 3。故 y -1 3e x2
為此微分方程之特解。
第十章 微分方程 10-2 分離變數法 14
估計銀行的存款
假設某人將 10,000 元存放到一家銀行,此銀行以 6%之年利
率且連續複利的情況下來優惠存款戶。若此人每年固定再存
入 6,000 元,試問 t 年後此人的戶頭存款總額為多少?
解: 令 y(t) 表 t 年後的存款總額,則其存款之年增率為 y' =
6000 + 0.06y。因此,依據題意須求下列微分方程之特解:
y 6000 0.06 y
y (0) 10000
依分離變數法,得
1dt
dy
6000 0.06 y
1 ln
0.06
| 6000 0.06 y | t C1
第十章 微分方程 10-2 分離變數法 15
估計銀行的存款
解: 因為 y > 0,故
ln( 6000 0.006 y ) 0.06t C2 (C2 0.06C1 )
6000 0.06 y C3e0.06t (C3 eC2 )
0.06 y -6000 C3e0.06t
C3
y -100000 Ce0.06t (C 0.06
)
由初始條件得知,10,000 = -100,000 + C
得 C = 110,000
故 t 年後,此人銀行之存款總額為
y = -100,000 + 110,000e0.06t
第十章 微分方程 10-2 分離變數法 16
微分方程的應用
在這節中,我們將探討三類微分方程模式:
無限制型的成長 (unlimited growth)
限制型的成長 (limited growth)
供需型的成長 (logistic growth)
它們和實際應用領域的關係。
第十章 微分方程 10-3 微分方程的應用 17
無限制型的成長模式
此種模式可用微分方程
y ky, k 0
y (0) y0
來表示,而其解為 y = y0ekt,如下圖所示。
意義為在時間 t 時的變化率 y'(t) 和
在當時的量 y(t) 成一個固定的比率
k。而這種函數 y(t) 的性質是當時間
增加時,y(t) 愈來愈大或者可以
lim y (t ) 表示之,故稱之為無
t
限制型的成長。
第十章 微分方程 10-3 微分方程的應用 18
估計財富
某人現有10 萬元之財產,依其估計每年可增加 8%
。試問 t 年後此人之財產價值為何?
解: 依題意,t 年時,財產之價值 y(t) 之增加率為
0.08y(t),即
y' = 0.08y 且 y(0) = 10 (以萬元為單位)
故 t 年後其財產總值為 y(t) = 10e0.08t (以萬元為單位)
。
第十章 微分方程 10-3 微分方程的應用 19
限制型的成長模式
此種模式可用微分方程
y k ( M - y ), k 0
y ( 0) 0
來表示,而其解為 y = M(1 - e-kt),如下圖所示。
意義為 y(t) 的變化率 y'(t) 與
M - y(t) 成一個固定比率 k,
而此種函數 y(t) 其值永遠不
超過 M, lim y (t ) M ,即 y
t
= M 為其水平漸近線,故稱
之為限制型的成長模式。
第十章 微分方程 10-3 微分方程的應用 20
限制型的成長模式
限制型的成長模式: 訊息的傳播
一個訊息經媒體報導後,假設在時間 t 時,接收到此一訊息的人數為
y(t),那麼尚未接收到此一訊息的人為 M - y(t),M 為總人口數。
社會學家假設接收到訊息人數的變化率 y'(t) 和尚未接收到訊息的人
數 M - y(t) 成一定的比率 k,即 y' = k(M - y) 且 y(0) = 0,故在時間 t
時接收到此一訊息的人數為 y(t) = M(1 - e-kt)。
限制型的成長模式: 學習理論
心理學家發現人的學習能力是有其上限的,如一個人在記憶英文單
字時有其上限 M,設 y(t) 表在時間 t 時所能記憶的英文單字的數目,
心理學家進一步發現 y(t) 的變化率和 M - y(t) 成一固定的比率 k,即
y' = k(M - y) 且 y(0) = 0,故在時間 t 時,一個人所能記憶的英文單字
總數為 y(t) = M(1 - e-kt)。
第十章 微分方程 10-3 微分方程的應用 21
訊息的傳播
某一小鎮有 5,000 人,發生一件謀殺案,經由人們
彼此間的傳播,一小時後有 1,000 人知道此兇殺案
。試問 t 小時後有多少人知道此謀殺案?
解: 設 y(t) 表 t 小時後知道此謀殺案的人數,由題意
知,
y' = k(5000 - y) 且 y(1) = 1000,
故 y(t) = 5000(1 - e-kt) 且 1000 = 1000(1 - ek),即 1 -
e-k = 0.2,e-k = 0.8,取自然對數,得 -k = ln(0.8),
即 k 0.22。因此
y(t) = 5000(1 - e-0.22t)。
第十章 微分方程 10-3 微分方程的應用 22
學習理論
某人至多能夠記憶 500 個德文單字,經過 2 小時後
此人已經記住了 50 個德文單字。試問 t 小時後,此
人可記憶多少個德文單字?
解: 設 y(t) 表 t 小時後此人所能記憶的德文單字數目
,依據題意
y' = k(500 - y) 且 y(2) = 50
故 y(t) = 500(1 - e-kt) 且 50 = 500(1 - e-2k),即 e-2k =
0.99。取自然對數,得 -2k = ln(0.99),即 k 0.005
。因此
y(t) = 500(1 - e-0.005t)。
第十章 微分方程 10-3 微分方程的應用 23
供需型的成長模式
此種模式可用微分方程
y ky( M - y ), k 0
y ( 0) M
1C
來表示,而其解為 y M-kMt ,如下圖所示。
1Ce
意義為 y(t) 的變化率 y'(t) 與
y(t)(M - y(t)) 成一個固定比率 k。
通常在表示成長的意義之下,我
們假設初始條件 y(0) < M,因此
,由圖知,此種模式的成長在開
始時十分的溫和,然後成長加快
,最後趨近於上限 M。
第十章 微分方程 10-3 微分方程的應用 24
供需型的成長模式
在動物的生長環境中(例如:草原、森林、湖泊或人
工水產養殖場),假設其可容納的總數為 M 且 y(t) 表
在時間 t 時動物之數量,生態學家通常假設 y(t) 的
變化率 y'(t),與當時的動物數量 y(t) 及尚未到達飽
和的動物數量 M - y(t) 之乘積成一固定比率 k,即 y'
= ky(M - y)且 y(0) 1M M ,故在時間 t 時,動物
C
之數量 y M
- kMt 。
1Ce
社會學家發現在一個擁有人口數 M 的城市裡,某一
謠言的散播率 y'(t),與已經聽到此謠言的人數 y(t)
及尚未聽到此謠言的人數 M - y(t) 之乘積一固定比
率 k,即 y' = ky(M - y)。
第十章 微分方程 10-3 微分方程的應用 25
動物的成長
假設在一片大草原裡的生存環境至多只能容納 5,000 頭羊。
原來在這片草原上已有 400 頭羊,經過 5 個月後,草原上估
計有 1,200 頭羊。試問 t 個月後草原上有多少頭羊?
解: 令 y(t) 表 t 個月後草原上羊的數目,由題意知,y' =
ky(5000 - y) 且 y(0) = 400,y(5) = 1,200。因此, y 5000 kt
-5000
1Ce
令 a = 5000k,由 y(0) = 400 及 y(5) = 1200,得
5000 400 ..........
1C ..........(1)
5000 1200 .......... (2)
.....
1Ce-5a
由 (1) 得 C = 11.5,將其代入 (2),得 e-5a = 0.28,取自然對數
,-5a = ln(0.28),得 -5a -1.27,所以 a 0.25。因此,t 個
月後,草原上羊的總數為 y 50000.25t 。 -
111.5e
第十章 微分方程 10-3 微分方程的應用 26
謠言的散播
在一個 800 人的海水浴場,有一個人散播海裡出現食人鯨這
樣的謠言,5 分鐘後已有 100 人聽到這個謠言。試問 t 分鐘
後有多少人聽到此謠言?
解: 令 y(t) 表 t 分鐘後聽到此謠言的人數,由題意知, y' =
ky(800 - y) 且 y(0)=1,y(5) = 100。因此, y 800 kt
-800
1Ce
令 a = 800k,由 y(0) = 1 及 y(5) = 100,得
800 1 ..........
1C ..........(1)
800 100 ........... (2)
1Ce-5a
由 (1) 得 C = 799,將其代入 (2),得 e-5a 0.0087,取自然對
數,-5a ln(0.0087),得 -5a -4.7443,所以 a 0.9488。
因此,t 分鐘後,聽到此謠言之人數為 y 800
-0.9488t 。
1799e
第十章 微分方程 10-3 微分方程的應用 27
一階線性微分方程
我們介紹了分離變數法以及如何利用它來解特殊的
一階微分程。但是並不是每個一階微分方程都可由
分離變數法求解。在這節裡,我們將介紹積分因子
法(method of integrating factor)以及如何利用它來解
一階線性微分方程(first-order linear differential
equation)。
一階線性微分方程乃一個微分方程滿足以下的標準
形式:y' + p(x)y = q(x)
例如:y' + xy = 5x2,y' + y = sin x 與
(x2 + 1)y' + (x - 1)y = ex + 5皆為一階線性微分方程。
第十章 微分方程 10-4 一階線性微分方程 28
求一階線性微分方程之解
求 y 1 y 2 之一般解
x
解: 若令 p(x) = 1/x 且 q(x) = 2,則微分方程為一階線
性微分方程之標準形式。
令 I(x) = x 且在微分方程的等號兩邊各乘以 I(x) 得
xy y 2 x
由微分乘法法則知 dx ( xy) 2 x
d
兩邊積分,得 xy = x2 + C
故 y x C 為 y 1 y 2 之一般解。
x x
第十章 微分方程 10-4 一階線性微分方程 29
求一階線性微分方程之特解
求 y' - y = 1 且 y(0) = 0 之特解。
解: 令 I(x) = e-x 且在微分方程等號的兩邊各乘以 I(x)
,得 e-xy' - e-xy = e-x
由微分乘法法則知
d (e - x y ) e - x
dx
兩邊積分,得 e-xy = -e-x + C
即 y = -1 + Cex
利用初始條件 y(0) = 0,得 C = 1,故 y = ex - 1
為 y' - y = 1之特解。
第十章 微分方程 10-4 一階線性微分方程 30
積分因子法
能夠求得此二微分方程的解,整個關鍵在於 I(x) 的
選擇,即只要能夠選到一個適當的 I(x),我們就可
以將此一階線性微分方程解出來。這個 I(x) 即為此
微分方程的積分因子(integrating factor),利用此種方
法解微分方程即所謂的積分因子法。
問題是給定一個一階線性微分方程,y' + p(x)y = q(x)
,如何求得積分因子 I(x)?
第十章 微分方程 10-4 一階線性微分方程 31
積分因子法
給定一個一階線性微分方程,y' + p(x)y = q(x),如何
求得積分因子 I(x)?考慮寫成以下形式的乘法規則:
d (uy) uy uy
dx
我們希望將微分方程等號左邊轉成乘法規則的形式,
將微分方程乘以 I(x) 得
I ( x) y p ( x) I ( x) y I ( x) q ( x)
I ( x) p( x) I ( x)
I ( x) e p ( x) dx (uv) uv uv
第十章 微分方程 10-4 一階線性微分方程 32
積分因子法
設 y' + p(x)y = q(x) 為一階線性微分方程,則其一般解
可由下列步驟求得:
(1)求積分因子 I ( x) e p( x)dx
(2)微分方程 y' + p(x)y = q(x) 等號的兩邊同乘以 I(x),得
I(x)y' + I(x)p(x)y = I(x)q(x)
(3)由微分乘法法則知 dx ( I ( x) y) I ( x)q( x)
d
(4)等號兩邊同時對 x 積分得 I ( x) y I ( x)q( x)dx
(5)因此, y I (1x) I ( x)q( x)dx ,即為 y' + p(x)y = q(x) 之
一般解。
第十章 微分方程 10-4 一階線性微分方程 33
積分因子法求微分方程之一般解
求 y' + 2y = ex 之一般解。
解: 積分因子為 I ( x) e 2dx e2 x,等號兩邊同乘 e2x
,得 e2xy' + e2x2y = e3x
由微分乘法法則知
d (e 2 x y) e3 x
dx
兩邊積分,得
e2 x y e3x dx 1 e3x C
3
故微分方程之一般解為
y 1 e x Ce -2 x
3
第十章 微分方程 10-4 一階線性微分方程 34
積分因子法求微分方程之特解
xy - y x
求 之特解。
y (1) 5
解: 將微分方程 xy' - y = x 改寫成 y' - y/x = 1。積分
因子為
- 1 x dx
I ( x) e e -ln x 1 x -1
x
故此微分方程之一般解為
y 1
x -1dx x dx x(ln x C ) x ln x Cx
x -1 x
由初始條件 y(1) = 5,得 C = 5,故此微分方程之特
解為 y x ln x 5x
第十章 微分方程 10-4 一階線性微分方程 35
積分因子法求微分方程之一般解
求 y' + y = x 之一般解。
解: 積分因子為 I ( x) e 1dx e x
故此微分方程之一般解為
y 1
e x xdx e - x xe x dx
ex
由部份積分法可求得
xe x dx xe x - e x C udv uv - vdu
所以,此微分方程之一般解為 C
xe dx xe - e
x x x
y e-x ( xe x - e x C) x -1 Ce-x
第十章 微分方程 10-4 一階線性微分方程 36
微分方程的近似解
我們利用分離變數法及積分因子法來解一階微分方
程式,然而並非所有的微分方程皆可解。即使可解
,其解的形式可能十分的複雜,那麼在應用上就有
它實際的困難。
數學家發展出許多不同的方法來求微分方程的近似
解,這裡我們介紹十八世紀數學家尤拉(Euler)所發
現的方法,稱之為尤拉方法(Euler method)。
第十章 微分方程 10-5 微分方程的近似解 37
尤拉方法
欲求一個微分方程在指定初始條件的特解,此問題稱為初始
值問題 (initial value problem),例如:
y g ( x, y)
y(a) y0
尤拉方法告訴我們如何求上
述問題在 [a, b] 區間上的一
個近似解 y = h(x)。
若 y = f(x) 為問題真正的解,
我們可以用一個多邊形函數
(polygonal function), y = h(x)
來近似 f(x),如右圖所示。
第十章 微分方程 10-5 微分方程的近似解 38
尤拉方法
(1) 將 [a, b] 區間分割成 n 個相等的子區間 [xi-1, xi], 1 i n,
即 a = x0 < x1 < … < xn = b 且 xi - xi-1 = (b - a) / n。令Dx = (b -
a) / n,則 xi = a + iDx, 1 i n。
(2) 首先造第一個線段。由起始點 (x0, y0) 出發,函數 y = f(x)
之圖形在 (x0, y0) 之切線的斜率為 g(x0, y0) ,切線方程式為 y -
y0 = g(x0, y0)(x - x0)。第一個線段將限制在 [x0, x1] 區間,故得
y = y0 + g(x0, y0)(x - x0), x0 x x1
(3) 令 y1 = h(x1) = y0 + g(x0, y0)(x1 - x0) = y0 + g(x0, y0)Dx 由
(x1, y1) 出發,重複步驟(2),就可造出第二個線段,即
y = h(x) = y1 + g(x1, y1)(x - x1), x1 x x2
重複這樣的步驟 n 次,就可建構出一個 n 個線段所組成的多
邊形函數 y = h(x),如下圖所示。
第十章 微分方程 10-5 微分方程的近似解 39
尤拉方法
(1) 將 [a, b] 區間分割成 n 個相等
的子區間 [xi-1, xi], 1 i n。
(2) 由起始點 (x0, y0) 出發造第一
個線段
y = y0 + g(x0, y0)(x - x0), x0 x x1
(3) 令 y1 = h(x1) = y0 + g(x0, y0)(x1
- x0) = y0 + g(x0, y0)Dx,得第二點
(x1, y1),重複步驟(2),就可造出
第二個線段
y = y1 + g(x1, y1)(x - x1), x1 x x2
第十章 微分方程 10-5 微分方程的近似解 40
利用尤拉方法求微分方程之近似解
求一個由 4 個線段所組成的多邊形函數 y = h(x) 近似於下列
初始值問題在 [0, 2] 區間的解
y x - y
y(0) 0
解: 由題意知,g(x, y) = x - y, n = 4, Dx = (2 - 0) / 4 = 0.5,
(x0, y0) = (0, 0), x0 = 0, x1= 0.5 , x2 = 1, x3 = 1.5, x4 = 2。
第一個線段: y = y0 g(x0, y0)( x - x0), x0 x x1, 即 y = h(x) = x,
0 x 0.5。
第二個線段: y = y1 g(x1, y1)( x - x1), x1 x x2, 即 y1 = 0.5, A
第二個線段為 y = 0.1 g(0.5, 0.5)( x - x1), 0.5 x 1。
即 h(x) = 0.5, 0.5 x 1。
第十章 微分方程 10-5 微分方程的近似解 41
利用尤拉方法求微分方程之近似解
求一個由 4 個線段所組成的多邊形函數 y = h(x) 近似於下列
初始值問題在 [0, 2] 區間的解: y x - y, y(0) 0
第三個線段: y = y2 g(x2, y2)( x - x2), x2 x x3, 即 y2 = h(x2) =
0.5, 因此,第三個線段為
y = 0.5 g(1, 0.5)( x - 1), 1 x 1.5
= 0.5 0.5( x - 1)= 0.5x
即 h(x) = 0.5x, 1 x 1.5。
第四個線段: y = y3 g(x3, y3)( x - x3), x3 x x4, 即 y3 = h(x3) =
0.75, 因此,第四個線段為
y = 0.75 g(1.5, 0.75)( x - 1.5), 1.5 x 2
= 0.75 0.75( x - 1.5)= -0.375 + 0.75x
即 h(x) = -0.375 + 0.75x, 1.5 x 2。
第十章 微分方程 10-5 微分方程的近似解 42
利用尤拉方法求微分方程之近似解
結論: 所求之多邊形函數為
x 當 0 x 0.5
0.5 當 0.5 x 1
y h( x )
0.5 x 當1 x 1.5
- 0.375 0.75x 當1.5 x 2
第十章 微分方程 10-5 微分方程的近似解
第 十 章 結 束 43