本書分為7章: 基本概念,一階方程的初等積分法,一階方程的一般理論,高階微分方程,微分方程組,定性理論與穩(wěn)定性理論初步,差分方程.內(nèi)容取材精練,注重概念實質(zhì)的揭示、定理思路的闡述、應用方法的介紹和實際例子的分析,并配合內(nèi)容引入了數(shù)學軟件.每章配有習題,全部計算題都有答案,個別證明題有提示.
本書可用作師范院校、理工科大學的數(shù)學類各專業(yè)的教科書和部分理工科其他專業(yè)的參考書.
常微分方程理論研究已經(jīng)有300多年的歷史,它是近代數(shù)學中的重要分支;同時,由于它與實際問題有著密切的聯(lián)系,因此,它又是近代數(shù)學中富有生命力的分支之一.對于數(shù)學,特別是數(shù)學的應用, 常微分方程所具有的重大意義主要在于:很多物理與技術(shù)問題可以化歸為常微分方程的求解問題,如自動控制、各種電子學裝置的設計、彈道的計算、飛機和導彈飛行的穩(wěn)定性的研究、化學反應過程穩(wěn)定性的研究等.此外,常微分方程在生態(tài)學、人口學、經(jīng)濟學等許多其他領(lǐng)域中也有重要的應用.這些問題都可以化為求常微分方程的解,或者化為研究解的性質(zhì)的問題.
本書是在作者多年教學實踐和教學研究的基礎(chǔ)上,吸取國內(nèi)外同類教材的精華編寫而成.全書分為7章,前5章作為基本內(nèi)容,后2章可根據(jù)實際情況靈活選用.根據(jù)常微分方程課程的特點及高等師范院校的培養(yǎng)目標,我們在編寫本教材時有以下幾點考慮:
1. 力圖實現(xiàn)“少而精”的原則,注重數(shù)學思想的培養(yǎng)、基本方法的訓練,盡量從幾何直觀入手,注意概念實質(zhì)的揭示以及近代數(shù)學觀點的滲透.
本課程中方程類型多、解法各異.我們在內(nèi)容取材上力圖精練,注意分析不同類型方程及其解法的特點.例如,在一階方程的初等積分法中,以變量可分離方程、線性方程、全微分方程為主線;在高階微分方程(組)中,以線性齊次微分方程(組)為主線,強調(diào)數(shù)學變換的思路、技巧及各種方法之間的內(nèi)在聯(lián)系.
對一階常微分方程的一般理論,我們重點介紹畢卡存在唯一性定理,對定理的條件、結(jié)論與證明方法進行較為細致的分析,注意概念實質(zhì)的揭示、定理證明思路的闡述,以及其中所包含的數(shù)學思想分析.對常系數(shù)線性齊次微分方程組的求解方法,我們選用矩陣指數(shù)法, 基解矩陣的計算采用了較新的普茲方法,既可避免讀者接受這部分知識的困難,又使讀者熟悉向量、矩陣及矩陣指數(shù)函數(shù)的應用.
微分方程及其解的幾何解釋、平面定常系統(tǒng)的奇點一直是教學的難點.我們從幾何直觀入手,采用數(shù)學軟件介紹相關(guān)例題的方向場、相圖.教學實踐表明,采用數(shù)學軟件處理這部分內(nèi)容,可避免讀者接受這部分知識的困難,讀者可以應用數(shù)學軟件進行數(shù)學實驗,有助于對相關(guān)概念實質(zhì)的理解.
為使讀者了解近代常微分方程的重要分支——定性理論的基本思想和方法,為進一步的學習打下基礎(chǔ),我們在第6章中對定性、穩(wěn)定性理論作了簡要介紹.
2. 力圖體現(xiàn)“師范教育特色”,重視對有關(guān)基礎(chǔ)知識的聯(lián)系、鞏固與深化.
本書從某些內(nèi)容的選取、某些重要問題的提出與解決、例題與習題的配備等方面,都注意加強與有關(guān)的初等數(shù)學及高等數(shù)學的結(jié)合.例如,通過應用微分方程來求解某些函數(shù)方程;結(jié)合一階方程圖像解法與數(shù)學分析中的函數(shù)作圖; 重視高階線性微分方程(組)理論與高等代數(shù)中線性方程組、線性空間理論的聯(lián)系;考慮到實際應用及高中新課程標準中有差分方程模塊,在本書中特別加入了差分方程內(nèi)容.為了使學生了解微分方程的歷史文化,本書簡要介紹了微分方程的產(chǎn)生背景、發(fā)展過程及關(guān)鍵性的代表人物.
3. 力圖體現(xiàn)“以人為本”,盡量做到符合學生的認知規(guī)律,注意啟發(fā)性.
我們將微分方程的初等積分法分散在第2,4,5各章,在例題與習題的配備上注意搭好臺階,反復鞏固,這將有助于學生牢固掌握基本理論以及
基本解法; 對微分方程的典型應用實例,如微分方程在物理學、生態(tài)學、人口學、經(jīng)濟學中的應用,我們把重點放在建立數(shù)學模型和說明解的實際意義上,這將有助于培養(yǎng)學生分析解決實際問題的能力,啟迪學生的創(chuàng)新思維.
為配合教師進行多媒體教學,還將出版與本書配套的電子教案.
本書的編寫得到了首都師范大學教務處教材建設經(jīng)費的支持;首都師范大學數(shù)學科學學院也給予了大力支持;在使用原講義的過程中,吳雅萍教授、酒全森教授提出過許多寶貴意見, 清華大學出版社的佟麗霞編輯為本書的出版付出了許多心血.在此,我們謹向他們表示衷心的感謝.我們也殷切希望讀者對本書中的缺點和錯誤提出批評指正.
第1章基本概念
1.1微分方程的例子
習題1.1
1.2基本概念
1.2.1常微分方程和偏微分方程
1.2.2解和通解
1.2.3積分曲線和積分曲線族
習題1.2
第2章 一階方程的初等積分法
2.1變量可分離方程
習題2.1
2.2齊次方程
習題2.2
2.3一階線性方程
習題2.3
2.4全微分方程
2.4.1全微分方程
2.4.2積分因子
習題2.4
2.5一階隱方程
2.5.1可解出y的方程
2.5.2不顯含x的方程
習題2.5
2.6應用舉例
習題2.6
第3章 一階方程的一般理論
3.1微分方程及其解的幾何解釋
3.1.1方向場
3.1.2圖像法
3.1.3歐拉折線
習題3.1
3.2畢卡存在與唯一性定理
習題3.2
3.3解的延拓
習題3.3
3.4解對初值的連續(xù)性
習題3.4
3.5解對初值的可微性
習題3.5
3.6一階隱方程的奇解
3.6.1一階隱方程解的存在與唯一性定理
3.6.2p判別曲線法
3.6.3c判別曲線法
習題3.6
第4章高階微分方程
4.1高階微分方程
4.1.1引論
4.1.2高階微分方程的降階法
習題4.1
4.2高階線性齊次微分方程
4.2.1線性齊次微分方程的一般理論
4.2.2常系數(shù)線性齊次微分方程的解法
4.2.3某些變系數(shù)線性齊次微分方程的解法
習題4.2
4.3二階線性齊次微分方程的冪級數(shù)解法
4.3.1引言
4.3.2常點鄰域內(nèi)的冪級數(shù)解
4.3.3正則奇點鄰域內(nèi)的廣義冪級數(shù)解
4.3.4兩個特殊方程
習題4.3
4.4高階線性非齊次微分方程
4.4.1線性非齊次微分方程的一般理論
4.4.2常系數(shù)線性非齊次微分方程的解法
習題4.4
4.5應用舉例
4.5.1彈簧振動問題
4.5.2電磁振蕩問題
4.5.3彈簧振動的微分方程的求解
習題4.5
第5章微分方程組
5.1微分方程組的基本概念
5.1.1引言
5.1.2解的存在唯一性定理
5.1.3化為高階方程法和可積組合法
習題5.1
5.2線性齊次微分方程組
5.2.1線性齊次微分方程組的一般理論
5.2.2常系數(shù)線性齊次微分方程組的解法
習題5.2
5.3一階線性非齊次微分方程組
5.3.1線性非齊次微分方程組的一般理論
5.3.2常系數(shù)線性非齊次微分方程組的解法
習題5.3
5.4應用舉例
5.4.1捕食者與被捕食者的生態(tài)問題
5.4.2多回路的電路問題
習題5.4
第6章定性理論與穩(wěn)定性理論初步
6.1定常系統(tǒng)
6.1.1動力系統(tǒng)、相空間與軌線
6.1.2定常系統(tǒng)軌線的類型
習題6.1
6.2平面定常系統(tǒng)的奇點
6.2.1線性系統(tǒng)的奇點
6.2.2非線性系統(tǒng)的奇點
習題6.2
6.3解的穩(wěn)定性
6.3.1李雅普諾夫(Liapunov)穩(wěn)定性的概念
6.3.2按線性近似法判別穩(wěn)定性
6.3.3李雅普諾夫直接法
習題6.3
6.4極限環(huán)
6.4.1極限環(huán)的概念
6.4.2極限環(huán)存在性的判別
習題6.4
第7章差分方程
7.1基本概念
習題7.1
7.2一階差分方程
7.2.1一階線性差分方程
7.2.2一階非線性差分方程
習題7.2
7.3高階線性差分方程的一般理論
7.3.1解的簡單性質(zhì)
7.3.2通解的結(jié)構(gòu)
7.3.3阿貝爾(Abel)定理
習題7.3
7.4二階常系數(shù)線性差分方程的解法
7.4.1Rn≡0的情形
7.4.2Rn0的情形
習題7.4
附錄A常微分方程發(fā)展概要
附錄B答案與提示
參考文獻