高数二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题详解
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题
提示 [b30bx0=b31]2[b0xb1]3[b0xb1] =2b03b0x3b1 =2b30b0x3b21=b10 3b1
特解形式
例2 求微分方程y5y6y=xe2x的通解 解 齐次方程y5y6y=0的特征方程为r25r 6=0 其根为r1=2 r2=3
提示
此时2pq=0 2p=0
要使(＊)式成立 Q(x)应设为m2次多项式 Q(x)=x2Qm(x) 其中Qm(x)=b0xmb1xm1 bm1xbm
下页
❖结论
二阶常系数非齐次线性微分方程
有形如
ypyqy=Pm(x)ex
y*=xkQm(x)ex
的特解 其中Qm(x)是与Pm(x)同次的多项式 而k按不是特征
提示
此时2pq=0 但2p0
要使(＊)式成立 Q(x)应设为m1次多项式 Q(x)=xQm(x) 其中Qm(x)=b0xm b1xm1 bm1xbm
下页
一、 f(x)=Pm(x)ex 型
设方程ypyqy=Pm(x)ex 特解形式为y*=Q(x)ex 则得
Q(x)(2p)Q(x)(2pq)Q(x)=Pm(x) ——(＊) (1)如果不是特征方程r2prq=0的根 则 y*=Qm(x)ex (2)如果是特征方程r2prq=0的单根 则 y*=xQm(x)ex (3)如果是特征方程r2prq=0的重根 则 y*=x2Qm(x)ex
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一、 f(x)=Pm(x)ex 型
设方程ypyqy=Pm(x)ex 特解形式为y*=Q(x)ex 则得
Q(x)(2p)Q(x)(2pq)Q(x)=Pm(x) ——(＊) (1)如果不是特征方程r2prq=0的根 则 y*=Qm(x)ex
高等数学第十二章第七讲 二阶常系数非齐次线性微分方程
x
Pm ( x )e x cos x ,
难点：如何求特解？
第十二章
一、
f ( x ) e x Pm ( x ) 型
设非齐方程特解为 y Q( x )e x 代入原方程
().Q( x ) ( 2 p )Q( x ) (2 p q )Q( x ) Pm ( x )
代入方程得 A 1 2j 1 1 1 jx y xe x sin x j x cos x 2j 2 2 1 * 取实部得 y2 x sin x 2 1 x * * * 原方程的特解 y y1 y2 (e x sin x ) 2 1 x 所求通解为 y c1 cos x c2 sin x 2 (e x sin x )
( j ) x
Qm ( x )是m次复系数多项式
记Qm ( x ) Q1 ( x ) jQ2 ( x )
Q1 ( x ), Q2 ( x )均是m次实系数多项式
第十二章
y x k [Q1 ( x ) jQ2 ( x )]e x (cosx j sinx )
x k e x [(Q1 ( x ) cos x Q2 ( x ) sinx ) j (Q1 ( x ) sinx Q2 ( x ) cos x )]
对应齐方程通解 Y C1 cos x C2 sin x ,
解
用常数变易法求非齐方程通解
设 y c1 ( x ) cos x c2 ( x ) sin x,
w( x ) 1,
c1 ( x ) sin x ln sec x tan x C1 , c2 ( x ) cos x C 2
第十二章
二阶常系数非齐次线性微分方程的解法及例题详解
微分算子法：
微分算子法是求解不同类型常系数非齐次线性 微分方程特解的有效方法，使用微分算子法求 解二阶常系数非齐次线性微分方程的特解记忆 较为方便，计算难度也可降低。引入微分算子 d/dx=D，d^2/dx^2=D^2，
则有 y'=dy/dx=Dy，y''=d^2y/dx^2=D^2y
于是y''+p(x)y'+q(x)y=f(x)可化为(D^2+pD+q)y=f(x)， 令F(D)=D^2+pD+q，称为算子多项式， F(D)=D^2+pD+q即为F(D)y=f(x)，其特解为 y=f(x)/F(D) 。
降阶法：
y'''+p(x)y''+q(x)y'=a0x^n+a1x^(n-1)+…+a(n-1)x+an…… y^(n+1)+py^(n)+qy^(n-1)=a0n!x+a1(n-1)! y^(n+2)+py^(n+1)+qy^(n)=a0n! 令y^n=a0n!/q(q≠0),此时，y^(n+2)=y^(n+1)=0。由
y*= xQk (x) ex
其中Q(x)是与p(x)同次的多项式，k按α不是特 征根、是单特征根或二重特征根，依次取0,1 或2.
将y*代入方程，比较方程两边x的同次幂的系 数（待定系数法），就可确定出Q(x)的系数而 得特解y*。
微分方程-二阶常系数非齐次线性微分方程
从而
∗ y1 = −2ixe ix = −2ix (cos x + i sin x )
= 2 x sin x + ( −2 x cos x ) i ,
Q
f ( x ) = 4 sin x = Im(4e ix )
(4e 的虚部)
ix
∗ ∴ 原方程有特解： y∗ = Im( y1 ) = −2 x cos x
λ = 1 是特征单根，k = 1
∗ ∴ 可设立特解： y2 = x ⋅ ce x ,
由解的叠加原理， 对于 y ′′ − y ′ = xe − x + e x ,
∗ ∗ ∴ 可设立特解： y∗ = y1 + y2
例2 求方程 y′′ − 3 y′ + 2 y = xe 2 x 的通解 . 解 1°特征方程 特征根
λ = 0不是特征根， k = 0
∴ 可设立(1)的特解形为
y∗ = Ax + B
( y∗ )′ = A, ( y∗ )′′ = 0
代入(1)，得
1 ∴ A= B= 2 a
a 2 ( Ax + B ) = x + 1
1 故(1)有特解： y = 2 ( x + 1) a
∗
∴ 当a > 0时， (1)的通解为： 1 y = C1 cos ax + C 2 sin ax + 2 ( x + 1). a
作变量变换
x = e t 或 t = ln x ,
将自变量换为 t ,
d y d y dt 1 d y = = , d x dt d x x dt
d2 y 1 ⎛ d2 y d y ⎞ ⎟, = 2⎜ 2 − dt ⎟ d x2 x ⎜ d t ⎠ ⎝
高等数学：第八讲 二阶常系数线性非齐次微分方程(1)
齐次方程的通解为 Y C1ex C2e3x ．
由于这里 0 不是特征根，所以设方程的特解为 y* b1x b0
把它代入方程得
3b1x (2b1 3b0 ) 3x 1
比较系数得
32bb11
3 3b0
1
b1
1, b0
1 3
所以原方程的一个特解为
y* x 1 3
因此所求通解为
y
C1e x
f (x) Pm (x)ex
此时微分方程(1)成为
Pm (x) a0 xm a1xm1
y'' py' qy f (x) Pm (x)ex (3)
am1x am
分三种情形讨论此式：
y'' py' qy f (x) Pm (x)ex (3)
(1)设不是特征方程的 根，即2 p q 0.
C2e3x
(x
1) 3
谢谢
y (C1 C2 x)er x y e x (C 1 cos x C2 sin x)
02 二阶常系数线性非齐次微分方程解法
定理
设 y * (x) 是二阶常系数线性非齐次微分方程(1)的一个特解，
Y C1 y1(x) C2 y2 (x)是方程(1)所对应的齐次方程(2)的通解，
则 y Y y* C1 y1(x) C2 y2 (x) y * (x) 是方程(1)的通解.
二阶常系数 线性非齐次 微分方程(1)
目录
01 二阶常系数线性非齐次微分方程
02 二阶常系数线性非齐次微分方程解法
03
例题
01 二阶常系数线性非齐次微分方程
二阶常系数非齐次线性
齐次微分方程解法
微分方程的一般形式 （一）; py' qy f (x) (1)
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题在数学的领域中，二阶常系数非齐次线性微分方程是一个重要的研究对象。
它在物理学、工程学、经济学等众多学科中都有着广泛的应用。
接下来，让我们深入探讨一下二阶常系数非齐次线性微分方程的解法以及相关例题。
首先，我们来明确一下二阶常系数非齐次线性微分方程的一般形式：＄y'＇＋ py' ＋ qy ＝ f(x)＄，其中＄p$、＄q$ 是常数，＄f(x)＄是一个已知的函数。
为了求解这个方程，我们通常分为两个步骤：第一步，先求解对应的齐次方程：＄y'＇＋ py' ＋ qy ＝ 0$ 。
对于这个齐次方程，我们假设它的解为＄y ＝ e^｛rx}＄，代入方程中得到特征方程：＄r^2 ＋ pr ＋ q ＝ 0$ 。
通过求解这个特征方程，可以得到两个根＄r_1$ 和＄r_2$ 。
当＄r_1$ 和＄r_2$ 是两个不相等的实根时，齐次方程的通解为＄y_c ＝ C_1e^｛r_1x} ＋ C_2e^｛r_2x}＄；当＄r_1 ＝ r_2$ 是相等的实根时，齐次方程的通解为＄y_c ＝（C_1 ＋ C_2x)e^｛r_1x}＄；当＄r_1$ 和＄r_2$ 是一对共轭复根＄r_{1,2} ＝＼alpha ＼pm ＼beta i$ 时，齐次方程的通解为＄y_c ＝ e^｛＼alpha x}（C_1\cos(＼beta x) ＋ C_2\sin(＼beta x)）＄。
第二步，求出非齐次方程的一个特解＄y_p$ 。
求特解的方法通常根据＄f(x)＄的形式来决定。
常见的形式有以下几种：1、当＄f(x) ＝ P_n(x)e^｛＼alpha x}＄，其中＄P_n(x)＄是＄n$ 次多项式。
如果＄＼alpha$ 不是特征根，设特解为＄y_p ＝ Q_n(x)e^｛＼alpha x}＄，其中＄Q_n(x)＄是与＄P_n(x)＄同次的待定多项式；如果＄＼alpha$ 是特征方程的单根，设特解为＄y_p ＝ xQ_n(x)e^｛＼alpha x}＄；如果＄＼alpha$ 是特征方程的重根，设特解为＄y_p ＝x^2Q_n(x)e^｛＼alpha x}＄。
高数二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题详解
强迫振动问题例题
01
解题步骤
02 1. 将外力函数展开为傅里叶级数或三角级数。
03 2. 将展开后的级数代入原方程，得到一系列简单 的一阶或二阶常系数线性微分方程。
强迫振动问题例题
3. 分别求解这些简单方程，得到原方程的通解。
示例：考虑方程 $y'' + 4y = sin t$，首先将 $sin t$ 展开为三角级数，然后代入原方程进行求解，得到通解为 $y(t) = C_1 cos(2t) + C_2 sin(2t) + frac{1}{8} sin t$。
详细描述
自由振动问题通常可以通过求解特征方程得到，特征方程是一元二次方程，其根决定了 微分方程的解的形式。如果特征方程有两个不相等的实根，则微分方程的解为两个独立 的指数函数；如果特征方程有两个相等的实根，则微分方程的解为单一的指数函数；如
果特征方程有一对共轭复根，则微分方程的解为正弦和余弦函数。
强迫振动问题
方程形式与特点
01
02
03
04
05
二阶常系数非齐次线性 该方程具有以下特点 微分方程的一般形式为： $y'' + p(x)y' + q(x)y = f(x)$，其中$p(x)$、 $q(x)$和$f(x)$是已知函 数，$y$是未知函数。
未知函数$y$的最高阶导 系数是常数，不随$x$变 右边的函数$f(x)$是非齐
高数二阶常系数非齐次线 性微分方程解法及例题详 解
• 引言 • 二阶常系数非齐次线性微分方程的解
法 • 常见题型及解题技巧 • 例题详解 • 总结与思考
01
引言
背景介绍
二阶常系数非齐次线性微分方程在自 然科学、工程技术和社会科学等领域 有广泛应用，如物理学、化学、生物 学、经济学等。
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题[优质ppt]
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特解形式
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结束
铃
二、f(x)=ex[Pl(x)cosxPn(x)sinx]型
结论
二阶常系数非齐次线性微分方程
有形如
ypyqy=ex[Pl(x)cosxPn(x)sinx]
y*=xkex[R(1)m(x)cosxR(2)m(x)sinx]
一、f(x) Pm(x)e x型 二、f(x)=elx[Pl(x)coswx+Pn(x)sinwx]型
方程y
py qy f(x)称为二阶常系数非齐次
线性微分方程 其中p、q是常数
二阶常首系页 数非齐次线性微返回分方程的下页通解是对应的齐 铃 次方程的通解y Y(x)与非齐次方程本身的一个特
一、 f(x)=Pm(x)ex 型
2b0x2b0b1=x 比 较 系 数 得 b 0 = 1 2 b 1 = 1 故 y * = x ( 1 2 x 1 ) e 2 x
因此所给方程的通解为
y = C 1 e 2 x C 2 e 3 x 1 2 ( x 2 2 x ) e 2 x
其中Qm(x)=b0xm b1xm1 bm1xbm
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铃
一、 f(x)=Pm(x)ex 型
设方程ypyqy=Pm(x)ex 特解形式为y*=Q(x)ex 则得
Q(x)(2p)Q(x)(2pq)Q(x)=Pm(x) ——(＊)
(1)如果不是特征方程r2prq=0的根 则 y*=Qm(x)ex应设为m次多项式
Qm(x)=b0xmb1xm1 bm1xbm
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二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题大家好，今天我们来探讨一下二阶常系数非齐次线性微分方程的解法及一些例题。
我们要明白什么是二阶常系数非齐次线性微分方程。
简单来说，就是一个未知函数y与其导数y关于t的关系式，形式如下：dy/dt + A*y = B*exp(ct)其中，A、B、c是已知常数，t是自变量。
这个方程的解法有很多种，但是我们今天主要讨论两种方法：一种是分离变量法，另一种是特征线法。
我们来看一下分离变量法。
分离变量法的基本思想是把未知函数y看作两个函数的和，一个是指数函数e^(ct),另一个是线性函数y(t)。
这样一来，我们就可以用积分的方法求解这个方程了。
具体步骤如下：1. 把方程改写为：e^(ct) = y(t) B/A*ln|y(t)|2. 对两边取对数：ln|y(t)| = ct ln|y(t)| ln(B/A)3. 对上式两边求积分：∫[0,∞] ln|y(t)| dt = ∫[0,∞] (ct ln|y(t)| ln(B/A)) dt4. 根据积分公式和性质，我们可以得到：y(t) * e^(-bt) = B/A * e^(-bt) * |y(t)|^n + C,其中n是一个待定常数5. 通过比较系数，我们可以得到：y(t) = (B/A)^n * |y(t)|^n6. 这样我们就得到了二阶常系数非齐次线性微分方程的一个特解。
接下来，我们可以通过凑特解的方法得到原方程的通解。
下面我们来看一下特征线法。
特征线法的基本思想是找到一个特征线，使得它与原方程有相同的极值点。
具体步骤如下：1. 对于特征线l:y = x + c,代入原方程得：x + c = x + A*y B*exp(ct) => A*y =B*exp(ct) + c => y = (B/A)*exp(ct) + c/A2. 由于特征线l与原方程有相同的极值点，所以我们可以得到原方程的通解为：y = (B/A)^n * exp(ct) + c/A * (x x0)^n3. 其中，x0是特征线的交点的横坐标，n是待定常数。
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题嘿，伙计们！今天我们来聊聊一个非常有趣的话题——二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题。
让我给你简单解释一下这个概念。
你知道吗，微分方程就像是一个神秘的世界，里面有很多奇妙的现象。
而二阶常系数非齐次线性微分方程就是这个世界里的一个谜题。
它的意思是说，这个方程有两个未知数，其中一个未知数的最高次数是2,而且方程中没有齐次项。
听起来好像很难懂，但别担心，我会用最简单的语言来解释给你听。
我们来看一个例子。
假设我们有一个问题：求解下面的二阶常系数非齐次线性微分方程：y'' + 3y' + 2y = x^2这个问题看起来很复杂，但是我们可以用一种叫做“分离变量”的方法来解决。
具体步骤如下：1. 我们把方程中的x^2移到等式左边，得到一个新的方程：y'' + 3y' + 2y x^2 = 02. 然后，我们把这个新方程看作是一个关于y的二次方程。
为了求解这个二次方程，我们可以先求出它的两个根，分别是y1和y2。
3. 我们根据这两个根和原方程的关系，就可以求出x的值。
这个方法虽然看起来有点复杂，但是其实很简单。
只要你掌握了这种方法，就可以轻松地解决很多类似的问题。
当然啦，还有很多其他的方法可以用来解决二阶常系数非齐次线性微分方程，比如“积分因子法”等等。
但是我觉得，还是分离变量的方法最简单、最直观。
好了，现在我们已经知道了如何解决二阶常系数非齐次线性微分方程的问题。
接下来，我要给你讲一个有趣的故事。
从前，有一个叫小明的小男孩，他非常喜欢学习数学。
有一天，他在家里发现了一本旧书，里面记载了很多神奇的数学知识。
其中就包括了二阶常系数非齐次线性微分方程的解法。
小明觉得这个方法非常神奇，于是决定试着去解决一些实际问题。
有一天，小明的爷爷给他出了一道难题：求解下面的二阶常系数非齐次线性微分方程：y''' + 6y'' + 4y' + 3y = x^3小明看了看这个方程，觉得非常有挑战性。
解二阶常系数非齐次微分方程
解二阶常系数非齐次微分方程二阶常系数非齐次微分方程的一般形式为：$$\frac{d^2y}{dx^2}+a\frac{dy}{dx}+by=f(x)$$其中$a$和$b$为常数，$f(x)$为已知函数。
要解这个方程，可以先求出对应的齐次方程的通解，然后再找一个特解。
将通解和特解相加，就可以得到非齐次方程的通解。
(1) 首先求对应的齐次方程的通解：假设齐次方程的解为$y_h(x)$，则可以设$y_h(x)=e^{mx}$，代入齐次方程中得到特征方程：$$m^2+am+b=0$$解特征方程，得到两个不同的根$m_1$和$m_2$。
当特征方程有两个不同的实根$m_1$和$m_2$时，通解为：$$y_h(x)=C_1e^{m_1x}+C_2e^{m_2x}$$其中$C_1$和$C_2$为任意常数。
当特征方程有两个不同的复根$m_1=\alpha+i\beta$和$m_2=\alpha-i\beta$时，通解为：$$y_h(x)=e^{\alpha x}(C_1\cos(\beta x) + C_2\sin(\beta x))$$其中$C_1$和$C_2$为任意常数。
(2) 找一个特解$y_p(x)$。
对于非齐次方程，可以根据$f(x)$的形式找到特解的猜测解。
常见的猜测解包括常数解、多项式解、指数函数解、三角函数解等。
将猜测解代入非齐次方程，求出特解。
(3) 非齐次方程的通解为：$$y(x)=y_h(x) + y_p(x)$$其中$y_h(x)$为齐次方程的通解，$y_p(x)$为特解。
注意：特解的选择要避免与齐次方程的通解相同或成倍数关系，否则解会出现冗余。
在猜测特解时，可以通过将特解代入非齐次方程进行验证，以确保猜测解是正确的。
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题在学习高等数学的过程中，二阶常系数非齐次线性微分方程是一个重要的知识点。
理解和掌握它的解法，对于解决许多实际问题和理论研究都具有重要意义。
首先，我们来了解一下二阶常系数非齐次线性微分方程的一般形式：＄y'＇＋ py' ＋ qy ＝ f(x)＄，其中$p$、＄q$是常数，＄f(x)＄是一个已知函数。
其解法的关键在于先求出对应的齐次方程的通解，然后再求出非齐次方程的一个特解，最终将两者相加得到非齐次方程的通解。
对于齐次方程$y'＇＋ py' ＋ qy ＝ 0$，我们可以通过特征方程$r^2＋ pr ＋ q ＝ 0$来求解。
特征方程的根有三种情况：1、两个不相等的实根$r_1$和$r_2$，此时齐次方程的通解为$y_c＝ C_1e^｛r_1x} ＋ C_2e^｛r_2x}＄。
2、两个相等的实根$r$，通解为$y_c ＝（C_1 ＋C_2x)e^｛rx}＄。
3、一对共轭复根$＼alpha ＼pm ＼beta i$，通解为$y_c ＝ e^｛＼alpha x}（C_1\cos\beta x ＋ C_2\sin\beta x)＄。
接下来，我们重点讨论如何求非齐次方程的特解。
根据$f(x)＄的形式，通常使用待定系数法来求解。
常见的$f(x)＄形式有以下几种：1、＄f(x) ＝ P_n(x)e^｛＼lambda x}＄，其中$P_n(x)＄是$x$的$n$次多项式。
若$＼lambda$不是特征根，设特解为$y_p ＝ Q_n(x)e^｛＼lambda x}＄，其中$Q_n(x)＄是与$P_n(x)＄同次的待定多项式。
若$＼lambda$是特征方程的单根，设特解为$y_p ＝ xQ_n(x)e^｛＼lambda x}＄。
若$＼lambda$是特征方程的重根，设特解为$y_p ＝ x^2Q_n(x)e^｛＼lambda x}＄。
2、＄f(x) ＝ e^｛＼lambda x}P_l(x)＼cos\omega x ＋ Q_m(x)＼sin\omega x$若$＼lambda ＼pm ＼omega i$不是特征根，设特解为$y_p ＝ e^｛＼lambda x}R_{l+m}（x)＼cos\omega x ＋ S_{l+m}（x)＼sin\omegax$，其中$R_{l+m}（x)＄和$S_{l+m}（x)＄是与$P_l(x)＄和$Q_m(x)＄同次的待定多项式。
第九节 二阶常系数线性非齐次微分方程讲解
y* [2b0 x （2b0 2b1）x b1 ]e2 x
y* [4b0 x2 （8b0 4b1）x 2b0 4b1 ]e2 x代入原方程
高 等 数 学 电 子 教 案
2x [4b0 x2 （ 8b0 4b1）x 2b0 4b1]e2 x 5[2 b0 x （ 2 b0 2 b 1）x b 1] e
武 汉 科 技 学 院 数 理 系
高 2 p q 0,2 p 0 (3) 如果特征方程有重根 , 即 等 那么方程(3)左端的次数与Q(x)的次数相同,于是可设 数 学 Q(x)=x2 Qm(x)利用上述的待定系数法确定Qm(x)的 电 子 m+1个系数综上所述,我们有如下的结论: 教 案 如果 f ( x) pm ( x)ex那么二阶常系数非齐次线性方程(1)具有
高 等 数 学 电 子 教 案
通解和非齐次方程(1)的特解 由于二阶常系数齐次线性微分方程的通解,我们 在第八节中得到解决.所以这里只需要讨论二阶
常系数非齐次线性微分方程的一个特解y*的方法
本节只介绍当方程(1)中的f(x)取两种常见
武 汉 科 技 学 院 数 理 系
形式时求特解y*的方法.这方法的特点是不用积 分就可以求出y* 来,它叫做待定系数法. f(x)的两种形式是
e x ( 2Q( x) 2Q( x) Q( x)) pe x( Q( x) Q ( x)) qQ( x)e x
pm ( x)e x ( x)(3)
武 汉 科 技 学 院 数 理 系
Q( x) (2 p)Q( x) ( 2 p q)Q( x) p m( x)(3)
y y 0 r 2 1 0 r i
高数二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题详解
比较两端同类项的系数 得a>>>1 b0 c0d 4 3 9 同类项的系数 得a 1 b0 c0d 4 3 9 因此所给方程的特解为 y* 1 x cos 2 x + 4 sin 2 x 3 9
特解形式 结束
因此所给方程的通解为
y C1e 2 x + C2e3x 1 ( x 2 + 2 x)e 2 x 2
特解形式 首页
二、 结论 f(x)ex[Pl(x)coswx+Pn(x)sinwx]型
二阶常系数非齐次线性微分方程 y+py+qyex[Pl(x)coswx+Pn(x)sinwx] 有形如 y*xkex[R(1)m(x)coswx+R(2)m(x)sinwx] 的特解 其中R(1)m(x)、R(2)m(x)是m次多项式 mmax{l n} 而k 按+iw(或iw)不是特征方程的根或是特征方程的单根依次 取0或1 >>>
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例3 求微分方程y+yxcos2x的一个特解 解 齐次方程y+y0的特征方程为r2+10 因为f(x)ex[Pl(x)coswx+Pn(x)sinwx]xcos2x +iw2i不是 特征方程的根 所以所给方程的特解应设为 y*(ax+b)cos2x+(cx+d)sin2x 把它代入所给方程 得 >>> (3ax3b+4c)cos2x(3cx+4a+3d)sin2xxcos2x
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结论 二阶常系数非齐次线性微分方程 y+py+qyPm(x)ex 有形如 y*xkQm(x)ex 的特解 其中Qm(x)是与Pm(x)同次的多项式 而k按不是特征 方程的根、是特征方程的单根或是特征方程的的重根依次取 为0、1或2
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题大家好，今天我们来聊聊二阶常系数非齐次线性微分方程的解法及一些例题。
我们要明确什么是二阶常系数非齐次线性微分方程。
简单来说，就是一个未知函数y关于自变量x的非线性微分方程，形式如下：dy/dt = a * y^2 + b * x * dy/dx + c * x^2其中a、b、c是已知的常数，t表示时间，x和y分别表示自变量和因变量。
接下来，我们来探讨一下如何求解这个方程。
我们需要将这个方程转化为一个标准的线性微分方程。
为了做到这一点，我们需要引入两个辅助函数：P(t, y)和Q(t, y)。
P(t, y)是一个一阶线性微分方程，表示y关于t的导数；Q(t, y)是一个二阶线性微分方程，表示y关于y的导数。
我们有：dy/dt = P(t, y)dP(t, y)/dt = Q(t, y)将这两个方程联立起来，我们可以得到一个关于y的齐次线性微分方程：dy/dt = (P(t, y) a * y^2 / b) * dt + (c * x^2 * Q(t, y)) / b这是一个标准的线性微分方程，可以使用常系数线性初值问题的方法来求解。
具体来说，我们可以将y表示为一个积分形式：y = Y(t) = int[a * y^2 / b * dt + c * x^2 * Q(t, y)] + C1(t)其中C1(t)是y的一个初始条件。
接下来，我们可以通过求解这个积分方程来得到y 的通解。
我们需要将通解代入原方程中，解出x的表达式。
下面我们来看一个具体的例题。
假设我们要求解以下二阶常系数非齐次线性微分方程：dy/dt = 2 * exp(-t) * y^2 + 3 * x * dy/dx + x^2我们首先引入两个辅助函数P(t, y)和Q(t, y):P(t, y) = dy/dt = 2 * exp(-t) * y^2 + 3 * x * dy/dxQ(t, y) = dP(t, y)/dt = 6 * x * dy/dx + 2 * exp(-t) * dx然后我们将这两个方程联立起来，得到一个关于y的齐次线性微分方程：dy/dt = (P(t, y) a * y^2 / b) * dt + (c * x^2 * Q(t, y)) / b将已知的参数代入这个方程，我们可以得到：dy/dt = (2 * exp(-t) * y^2 + 3 * x * dy/dx 2 * exp(-t) * x^2 / b) * dt + (c * x^2 * Q(t, y)) / b整理得：dy/dt = [exp(-t)(by^2 + cxy^2) cxy] dt + [by^3 + cxy^3] dt + C1(t)现在我们可以将y表示为一个积分形式：y = Y(t) = int[exp(-t)(by^2 + cxy^2) cxy] dt + int[by^3 + cxy^3] dt + C1(t)通过求解这个积分方程，我们可以得到y的通解。
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题
二阶常系数非齐次线性微分方程解法及例题大家好，今天我们来聊聊二阶常系数非齐次线性微分方程的解法及一些有趣的例子。
让我们来了解一下什么是二阶常系数非齐次线性微分方程。
二阶常系数非齐次线性微分方程是指形如这样的方程：∂y/∂t = a*∂^2y/∂x^2 + b*∂y/∂x + c*y,其中a、b、c是常数，t和x是变量。
这个方程看起来有点复杂，但是我们可以通过一些技巧来求解它。
我们可以将这个方程变形为：y(t) y(0) = c*t*(at^2 + bt),然后令y(0) = 1,得到一个关于t的二次方程。
接下来，我们可以使用二次公式来求解这个方程。
我们将得到的y(t)与初始条件y(0)结合，就可以得到整个方程的解了。
下面我们来看一个具体的例子。
假设我们有一个函数y(t) = e^(-t)^2,我们需要求解它的二阶常系数非齐次线性微分方程。
我们将e^(-t)^2代入y(t) = c*t*(at^2 + bt),得到e^(-t)^2 1 = c*t*(at^2 + bt)。
然后，我们令y(0) = 1,得到e^(-0)^2 1 = c*0*(at^2 + bt)。
这意味着1 = c。
所以，我们可以将方程改写为：e^(-t)^2 1 = -t*(at^2 + bt)。
接下来，我们使用二次公式求解这个方程。
我们将得到的y(t)与初始条件y(0)结合，就可以得到整个方程的解了。
除了上面的例子之外，还有很多其他有趣的问题可以供我们探讨。
例如，我们可以考虑一个简单的问题：如果一个物体在匀加速运动，那么它的加速度是多少？这个问题可以用二阶常系数非齐次线性微分方程来表示。
通过求解这个方程，我们可以得到物体的加速度与时间的关系。
这样一来，我们就可以根据实际情况来计算物体的加速度了。
二阶常系数非齐次线性微分方程虽然看起来有点复杂，但是只要掌握了一些基本方法和技巧，就可以轻松地解决各种问题。
希望大家在学习的过程中能够保持好奇心和探索精神，不断地发现新的问题和答案。
第六节 二阶常系数非齐次线性微分方程的解法
o
x
x
17
h sin pt x = Asin ( k t +ϕ ) + 2 2 k −p
自由振动 强迫振动
当干扰力的角频率 p ≈固有频率 k 时,
h 振 幅 2 将 大! 很 k − p2 • 当 p = k 时, 非齐次特解形式:
而 2r + a ≠ 0 , 则令 Q ( x ) = x Qm ( x ) , 即
y = xQm ( x)e
∗
rxБайду номын сангаас
5
′′ + (2r + a)Q′ + (r 2 + ar + b)Q = Pm ( x) Q
情形3 情形3
(*)
是特征方程的二重 二重根 若 r 是特征方程的二重根, 即 r 2 + ar + b = 0 ,
3x
1 3 3x + x e . 6
10
3x 的通解. 例6 求微分方程 y′′ − 6 y′ + 9 y = x e 的通解.
解
特征方程 λ2 − 6λ + 9 = 0 , 特征根 λ1, 2 = 3 ，
对应齐次方程通解 Y = (C1 + C 2 x ) e 3 x .
是二重特征根, 因为 r = 3 是二重特征根,
y′′ + ay′ + by = f (x) 对应齐次方程 y′′ + ay′ + by = 0
(1) (2)
是方程(1) 的一个特解, (1)的一个特解 定理2 定理2 设 y ∗ ( x ) 是方程 (1) 的一个特解,
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x 3x 1
0不是特征方程的根
所以非齐次方程的特解应设为
y* b0x b1 把它代入所3给b0方x程2b03得b1=3x1 比 较 两 端 x 同 次 幂 的 系 数 得 b 0 = 1 b 1 = 1 3
因 此 所 给 方 程 的 特 解 为 y * = x 1 3
下页 bm 1x bm
一、 f(x) Pm(x)e x 型
设方程y
py qy Pm(x)e x y特* 解Q形(x式)e为 则x 得
Q (x) (2 p)Q (x) ( 2 p q)Q(x) Pm
(1)如果 不是特征方程r2 pr q 0的根y* 则Qm(x)e x
(2)如果 是特征方程r2 pr q 0的单根y,*则 xQm(x)e x
x xe2x
2是特征方程的单根
所以非齐次方程的特解应设为 y* x(b0x b>1>)e>2x
把它代入所2给b0方x程2b0b得1=x 比 较 系 数 得 b 0 = 1 2 b 1 = 1 故 y * = x ( 1 2 x 1 ) e 2 x
提示 2b0=1
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例3 求微分方程yy=xcos2x的一个特解 解 齐次方程yy=0的特征方程为r21=0
因为f(x)=ex[Pl(x)cosxPn(x)sinx]=xcos2x i=2i不是
特征方程的根 所以所给方程的特解应设为
y*=(axb)cos2x(cxd)sin2x 把它代入所给方程 得 >>>
提示 [b30bx0=3b1]
2[b0x b1] =32[bb00x3b0bx1] 3b1
=2b30b0x3b12=b01 3b1
特解形式
例2 求微分方程y 解 齐次方程y 其根为r1 2 r2 3 因为f(x) Pm(x)e
5y 6y xe2x的通解 5y 6y 0的特征方程为r2 5r 6
齐2b次0方b程1=y0
5y
特解形式Y C1e2x C2e3x
6y 0的通解为
例2 求微分方程y 解 齐次方程y 其根为r1 2 r2 3 因为f(x) Pm(x)e
5y 6y xe2x的通解 5y 6y 0的特征方程为r2 5r 6
x xe2x
2是特征方程的单根
所以非齐次方程的特解应设为
y* x(b0x b1)e2x 把它代入所2给b0方x程2b0b得1=x
=)e[Qx(x)(2p)Q(x)(2pq)Q(x)]ex
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一、 f(x) Pm(x)e x 型
设方程y
py qy Pm(x)e x y特* 解Q形(x式)e为 则x 得
Q (x) (2 p)Q (x) ( 2 p q)Q(x) Pm
(1)如果 不是特征方程r2 pr q 0的根y* 则Qm(x)e x
有形如
qy Pm(x)e x
y* xkQm(x)e x 的特解 其中Qm(x)是与Pm(x)同次的多项式 而k按 不是 特征方程的根、是特征方程的单根或是特征方程的的重根依
次取为0、1或2
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例1 求微分方程y 解 齐次方程y 因为f(x) Pm(x)e
2y 3y 3x 1的一个特解
2y 3y 0的特征方程为r2 2r 3
(3)如果 是特征方程r2 pr q 0的重根y,*则 x2Qm(x)e x
提示: 此时 2 p q 0 要使(＊)式成立
Q(x) x2Qm(x) 其中Qm(x) b0xm b1xm
2 p0 Q(x) 应 设 为 m 2 次 多 项 式
1
下页 bm 1x bm
结论二阶Biblioteka 系数非齐次线性微分方程ypy
(1)如果 不是特征方程r2 pr q 0的根y* 则Qm(x)e x
(2)如果 是特征方程r2 pr q 0的单根y,*则 xQm(x)e x
提示
此时 2 p q 0 但2 p 0 要 使 ( ＊ ) 式 成 立 Q(x) 应 设 为 m 1 次 多 项 式
Q(x) xQm(x) 其中Qm(x) b0xm b1xm 1
y 有形如
py qy e x[Pl(x)cos x Pn(x)sin x]
y* xke x[R(1)m(x)cos x R(2)m(x)sin x] 的 特 解 其 中 R(1)m(x) 、 R(2)m(x) 是 m 次 多 项 式 m max{l n} 而k按 i (或 i )不是特征方程的 根或是特>征>>方程的单根依次取0或1
§12.9二阶常系数非齐次线性 微分方程
一、f(x) Pm(x)e x型 二、f(x)=elx[Pl(x)coswx+Pn(x)sinwx]型
方程y
py qy f(x)称为二阶常系数非齐次
线性微分方程 其中p、q是常数
二阶常系数非齐次线性微分方程的通解是对应的齐 次方程的通解y Y(x)与非齐次方程本身的一个特 解y y*(x)之和
提示 此时2pq0 要使(＊)式成立 Q(x)应设为m次多项式
Qm(x)=b0xmb1xm1 bm1xbm
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一、 f(x) Pm(x)e x 型
设方程y
py qy Pm(x)e x y特* 解Q形(x式)e为 则x 得
Q (x) (2 p)Q (x) ( 2 p q)Q(x) Pm
比 较 系 数 得 b 0 = 1 2 b 1 = 1 故 y * = x ( 1 2 x 1 ) e 2 x 因此所给方程的通解为
y = C 1 e 2 x C 2 e 3 x 1 2 ( x 2 2 x ) e 2 x
特解形式
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二、
结f(论二x阶)=常e系lx数[非P齐l(次x线)c性o微型s分w方x程+Pn(x)sinwx]
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铃
一、
设方程y
f(x)
py
Pm(x)e
qy Pm(x)e
x
x 型 y特* 解Q形(x式)e为
则x 得
Q (x) (2 p)Q (x) ( 2 p q)Q(x) Pm
提示 y*
py* =[Q(qxy)*ex][Q(x)ex]q[Q(x)ex]
=[Q(x)+2Q(x)+2Q(x)]ex+p[Q(x)+Q(x)]ex+qQ(x