Section04_高阶线性微分方程
定义
- n 阶齐次线性微分方程 (∗)
y(n)+a1(x)y(n−1)+⋯+an−1(x)y′+an(x)y=0(∗)
- n 阶非齐次线性微分方程 (∗∗)
y(n)+a1(x)y(n−1)+⋯+an−1(x)y′+an(x)y=f(x)(∗∗)
- 若 f(x)=f1(x)+f2(x)
y(n)+a1(x)y(n−1)+⋯+an−1(x)y′+an(x)y=f1(x)(∗∗′)y(n)+a1(x)y(n−1)+⋯+an−1(x)y′+an(x)y=f2(x)(∗∗′′)
解的结构
- ϕ1(x),⋯,ϕs(x) 为 (∗) 的解,则 y=k1ϕ1(x)+⋯+ksϕs(x) 还为 (∗) 的解
- ϕ1(x),⋯,ϕs(x) 为 (∗∗) 的解
- 若 y=k1ϕ1(x)+⋯+ksϕs(x) 为 (∗) 的解,则 k1+⋯+ks=0
- 若 y=k1ϕ1(x)+⋯+ksϕs(x) 为 (∗∗) 的解,则 k1+⋯+ks=1
- ϕ1(x),ϕ2(x) 分别为 (∗),(∗∗) 的解,则 ϕ1(x)+ϕ2(x) 为 (∗∗) 的解
- ϕ1(x),ϕ2(x) 为 (∗∗) 的解,则 ϕ1(x)−ϕ2(x) 为 (∗) 的解 (2.1的特殊情况)
- ϕ1(x),ϕ2(x) 分别为 (∗∗′),(∗∗′′) 的解,则 ϕ1(x)+ϕ2(x) 为 (∗∗) 的解
特殊形式
Notes 一元二次方程的解 ax2+bx+c=0
Δ=b2−4acx=−2ab±2ab2−4ac
特一 二阶常系数齐次线性微分方程
y′′+py′+qy=0(∗)
通解
- 转化为特征方程 λ2+pλ+q=0
- 解出 λ1,λ2
- Δ>0,λ1=λ2
y=C1eλ1x+C2eλ2x
- Δ=0,λ1=λ2
y=(C1+C2x)eλx
- λ<0,λ1,2=α±βi
y=eαx(C1cosβx+C2sinβx)
例题
- y′′+y′−2y=0,求通解
∴∴特征方程为λ2+λ−2=0{λ1=−2λ2=1通解为y=C1e−2x+C2ex
- y′′−4y′+4y=0,求通解 ∴∴特征方程为λ2−4λ+4=0λ1=λ2=2通解为y=(C1+C2x)e2x
- y′′−2y′+2y=0,求通解
∴∴特征方程为λ2−2λ+2=0λ1,2=1±i通解为y=ex(C1cosx+C2sinx)
特二 二阶常系数非齐次线性微分方程
y′′+py′+qy=f(x)(∗∗)
通解
- 通解=(∗)的通解+(∗∗)的特解
型一 f(x)=Pn(x)ekx
y′′+y′−2y=(2x+1)e2x,求通解 λ1=λ2=k
∴∴∴∴∴∴特征方程为λ2+λ−2=0{λ1=−2λ2=1y′′+y′−2y=0的通解为y=C1e−2x+C2ex令C(x)=(ax+b)e2x为其的一个特解C′(x)=ae2x+2(ax+b)e2xC′′(x)=2ae2x+e2x(2a+4ax+4b)2ae2x+e2x(2a+4ax+4b)+ae2x+2(ax+b)e2x−2(ax+b)e2x=(2x+1)e2x(5a+4b+4ax)e2x=(2x+1)e2x{a=21b=−83原方程的通解C1e−2x+C2ex+(2x+1)e2x
y′′−3y′+2y=(2x−1)ex,求通解 λ1=λ2=k
∴∴∴∴∴∴特征方程为λ2−3λ+2=0{λ1=2λ2=1y′′+y′−2y=0的通解为y=C1e2x+C2ex令y0(x)=x(ax+b)ex=(ax2+bx)ex为其的一个特解y0′(x)=(2ax+b+ax2+bx)ex=(ax2+2ax+bx+b)exy0′′(x)=(2a+2ax+b+2ax+b+ax2+bx)ex=(ax2+bx+4ax+2a+2b)ex(ax2+bx+4ax+2a+2b)ex−3(ax2+2ax+bx+b)ex+2(ax2+bx)ex=(2x−1)ex(−2ax+2a−b)ex=(2x−1)ex{a=−1b=−1原方程的通解C1e2x+C2ex+(−x2−x)ex
y′′−4y′+4y=(3x−1)e2x 求通解 λ1=λ2=k
∴∴∴∴∴特征方程为λ2−4λ+4=0λ1=λ2=2y′′+y′−2y=0的通解为y=(C1+C2x)e2x令y0(x)=x2(ax+b)e2x=(ax3+bx2)e2x为其的一个特解(ax3+bx2)′′=6ax+2b=3x−1{a=21b=−21通解为y=(C1+C2x)e2x+(21x3−21x2)e2x
Notes
对于 λ1=λ2=k 的情形,特解 y0(x)=Q(x)ekx 则
Q(x)′′=(ax3+bx2)′′=Pn(x)