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關于《高等數學》幾個教學內容的處理

2020-07-23 06:16吳彥強
科技風 2020年19期
關鍵詞:微分方程導數高等數學

摘 要: 針對《高等數學》中數列極限、隱函數方程組求導和微分方程特解的求法分別進行了分析,在此基礎上提出了三個新的解決問題的方法。

關鍵詞: 數列極限;隱函數;微分方程;特解;導數

如何對學生進行更好的教育,這是我們所有教育工作者以及社會各界人士共同的責任和義務,更是我們孜孜不倦的追求和目標,所以在教學中,要不斷地進行相應的改進,以便能對學生進行更好的教育,決不能僅僅教授書本上的知識,要把知識給同學們產生一個系統(tǒng)和嚴謹的聯(lián)系。另外,《高等數學》是大學工科各專業(yè)非常重要的一門基礎課,是學習其他課程的重要基礎,同時也是新生學習難度比較大的課程。在如何提高《高等數學》的教學質量這個問題上,我們也一直在不斷地努力探索和鉆研。所以,在實際教學中,我們注重不斷改進教學方法和教學內容的處理,在這些方面,很多教師給我們做出了表率和帶頭作用。我們在學習優(yōu)秀教師教學手段的基礎上,也取得了一定的進步,同時在教學中,也有了自己的一點心得。下面就是我們的一點教學體會,我從三個方面進行說明。

在《高等數學》上冊中,講到收斂數列的有界性時,我們不妨把數列有界的定義放在數列的概念講完之后就進行解釋,我們知道數列是一種特殊的以自然數為自變量的函數,即它的定義域是全體自然數,先看一下函數有界的概念:

定義1:稱函數f(x)有界,若x∈D,都有 f(x)

那么按照函數的概念,很自然地得到了數列有界的定義。

定義2:稱數列 an 有界,若n∈N,都有 an

接著,我們可以得到下面的推論:

推論:如果N0,當n>N0時,有 an

這樣一來,到后面我們用收斂數列的定義證明其有界性時, 就很自然用到了上面的推論,lim n→

SymboleB@? an=A對于ε=1,N0>0,當n>N0時,有 an-A <1。

即 an < A +1(其中A是數列 an 的極限,即為某一常數)

根據上面的推論,自然知道數列 an 有界。

結果可以說是很自然的,同學們也很容易接受。

在這里,我們把教學的難點進行了分開講解,降低了教學的難度。

在下冊中,講到隱函數方程組求導時,也是一個難點,我們主要教給學生如何判別變量的類型,這種方法主要是分清楚變量的兩種類型,即因變量、自變量。這樣才能以不變應萬變,做任何題目才能胸有成竹,下面我們舉兩個例子進行解釋。

例1: x+y+z=0

x2+y2+z2=1 , 求 dx dz

解:[分析:從題目所求的導數知道,原方程組的三個變量中,x是因變量,z是自變量,由于兩個方程組成的方程組可以求解出兩個變量,可知變量y也是因變量,即變量x,y分別是z的一元函數。

方程組兩邊對變量z求導,得:

dx dz + dy dz +1=0

2x dx dz +2y dx dz +2z=0

求解方程組得到,? dx dz = y-z x-y

dy dz = z-x x-y

例2:設y=f(x,t),而t是由方程F(x,y,t)=0所確定的x,y的函數,其中f,F都具有一階連續(xù)導數,試證明:

dy dx =? f x? F t - f t? F x? ?f t? F y + F t

解:[分析:這是教材上比較難的一個題目,但我們只要分清楚變量的類型,就很容易解決,從要證明的結論知道變量y是變量x的一元函數,從而在方程組 y=f(x,t)

F(x,y,t)=0 中,變量t也是x的一元函數,這樣一來,這題和上面的例1解法就一樣了,只是例2是抽象函數,而例1是一個具體的函數而已。]

對方程組 y=f(x,t)

F(x,y,t)=0 兩邊對變量x求導,得:

dy dx = f x + f t? dt dx

F x + F y? dy dx + F t? dt dx =0

求解上式可解出 dy dx =? f x? F t - f t? F x? ?f t? F y + F t? ,證明完畢。

下面是關于《高等數學》(見參考文獻[1])第七章第八節(jié)一個教學內容的處理:

在這節(jié)的教學中,我們給學生講解針對不同的非齊次項,如何求出特解的形式,然后代入原來的微分方程,從而求出特解的具體表達式。我們在教學中大都告訴學生,對于第一種情形,我們可以僅僅代入特解中的多項式函數,不用代入整個函數,這是因為我們在證明特解的形式時,就已經得到了如下的結論:

Q″+(2λ+p)Q′+(λ2+pλ+q)Q=Pn(x)eλx

其中λ,Pn(x),eλx(見參考文獻[1])。

顯然,我們這樣計算非常簡便。那么,第二種特解形式有沒有同樣的簡便過程呢?教材上沒有對這一問題進行講解。從而導致在學習這段內容的時候,很多同學只能把兩種類型分開去學習,產生了一些困難。由于第二種類型更加難于理解,也使得一些同學產生了厭學情緒。其實這個問題我們可以和第一種特解形式一樣的處理。

下面我們就推導這一過程。

設y*(x)=eλx(R1(x)coswx+R2(x)sinwx),代入y″+py′+q,得:

R1″(x)+(2λ+p)R1′+(λ2+pλ+q-w2)R1+2wR2′+(2λw+pw)R2=Pl(x)? ?(1)

R2″(x)+(2λ+p)R2′+(λ2+pλ+q-w2)R2-2wR1′-(2λw+pw)R1=Pm(x)? ?(2)

下面我們合并(1)+i(2),得:

R1″(x)+(2(λ-iw)+p)R1′+((λ-iw)2+p(λ-iw)+q)R1+i[R2″(x)+(2(λ-iw)+p)R2′+((λ-iw)2+p(λ-iw)+q)R2]

=Pl(x)+iQn(x) (3)

兩端實部、虛部分別對應,即可得到(1)和(2)式。

這樣,我們就把非齊次項兩種類型統(tǒng)一的用一種簡便的形式進行求解,這在具體求解時非常的方便,下面我們例說明:

例3見參考文獻[1]:求微分方程y″-y=excos2x的一個特解。

解:特征方程為r2-1=0,所以λ-iw=1-2i不是特征方程的根,從而設特解為y*(x)=ex(acos2x+bsin2x),代入(3)式,得:

((1-i2)2-1)a+i[((1-i2)2-1)b]=1+i0

即(-4-4i)a+i[(-4-4i)b]=1+i0,從而 -4a+4b=1

-4a-4b=0 ,從而 a=- 1 8

b= 1 8? 。

因此所給方程的一個特解為y*(x)= 1 8 ex(-cos2x+sin2x)。

注:我們可以和書本[1]上的解法進行比較,可知我們的解法簡便。為了簡潔,在此省略書本[1]上的解題過程。

眾所周知,處理好教學內容對于教學質量的提高有很大的幫助,當然對于我們教師的教學工作也有很大的促進作用,能夠使得我們教師對教材有更深的理解和掌握。這樣,我們在教學中才能駕熟就輕,游刃有余,才能保證教給同學一滴水,自己要有一桶水的要求。

參考文獻:

[1]同濟大學數學系,高等數學(第七版)[M].高等教育出版社,2014.

作者簡介: 吳彥強(1976—),男,漢族,江蘇徐州,博士,副教授,研究方向:非線性分析。

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