二阶线性微分方程的解法
二阶次线性微分方程
定理 1 如果函数 y1 与 y2 是线性齐次方程的 两个解， 两个解， 则函数 y = C1 y1 + C2 y2 仍为该方程的解， 仍为该方程的解，其中 C1， C2 是任意常数 是任意常数. 证 因为 y1 与 y2 是方程 y″ + p(x)y′ + q(x)y = 0 ″ ′ 的两个解， 的两个解， 所以有
* * y1 + y2 是方程 ① 的特解 的特解， 的特解. 的特解，则
②
③
分别是② 的特解， 证 因为 y1* 与 y2* 分别是② 与 ③ 的特解， 所以有 y1*″ + p(x)y1*′ + q(x)y1* = f 1(x)， ， 与 于是有 y2*″ + p(x)y2*′ + q(x)y2* = f 2(x) .
之比为常数. 反之， 之比为常数， 即 y1 与 y2 之比为常数 反之，若y1 与 y2 之比为常数，
y1 设 = λ , 则 y1 = λ y2，即 y1 - λ y2 = 0. 所以 y1 与 y2 y2 线性相关. 因此，如果两个函数的比是常数 ， 则它们 线性相关 因此， 如果两个函数的比是常数，
−p 2° 特征方程具有两个相等的实根，即 r1 = r2 = . ° 特征方程具有两个相等的实根， 2
e rx [u′′ + ( 2r + p )u′ + ( r 2 + pr + q )u] = 0.
−p 注意到 r = 2
是特征方程的重根， 是特征方程的重根， 所 以 有 r2 + pr + q = 0 及 2r + p = 0. 且 e r x ≠ 0 ， 因此只要 u(x) 满足
1° 特征方程具有两个不相等的实根 r1 与 r2， 即 ° rx r x r1 ≠ r2. 那么，这时函数 y1 = e 1 和 y2 = e 2 都是 ④ 那么， y1 的解， 的解，且 线性无关， = e ( r1 − r2 ) x ≠ 常数 , 所以 y1 与 y2 线性无关， y2 因而它的通解为 r1 x r2 x y1 = C1e + C 2e . 这时， 这时，由特征根可得到常系数线性齐次方程的一个 特解 y1 = erx. 还需再找一个与 y1 线性无关的特解 y2， 为此， 为此，设 y2 = u(x)y1， 其中 u(x)为待定函数 将 y2 及 为待定函数. 为待定函数 其一阶、 其一阶、二阶导数 y′2 = (uerx)′ = erx(u′(x) + ru(x))， ′ ′ ′ ， y″2 = erx (u″(x) + 2ru′(x) + r2u(x))， 代入方程 y″+ ″ ″ ′ ， ″ py′ + qy = 0 中，得 ′
二阶微分方程解
二阶微分方程解二阶微分方程分为齐次和非齐次两种类型。
在这里，我们主要讨论二阶常系数齐次线性微分方程的解法。
二阶常系数齐次线性微分方程的一般形式为：ayy'' + by' + cy = 0其中，a、b、c为常数。
求解过程如下：1. 特征方程：首先求出微分方程的特征方程。
特征方程为：r^2 - pr - q = 0其中，p、q为常数。
2. 求解特征方程：求出特征方程的两个根r1和r2。
可以使用公式：r1,2 = (-p ±√(p^2 - 4q)) / 23. 根据根与系数的关系，得出二阶微分方程的通解：通解= yC1* e^(r1x) + yC2 * e^(r2x)其中，yC1和yC2为待定系数，可通过初始条件求解。
4. 求解特解：若需要求解特解，可以先设特解的形式为y = yE(x)，然后将其代入原方程，求解待定系数。
举例：求解二阶常系数齐次线性微分方程：yy'' - 2y' + 3y = 01. 特征方程：r^2 - 2r + 3 = 02. 求解特征方程：r1= 1，r2 = 33. 通解：通解= yC1* e^x + yC2* e^-x4. 求解特解：设特解为y = yE(x) = e^(x^2)将其代入原方程，求解得到yE(x)为原方程的特解。
需要注意的是，二阶微分方程的解法不仅限于齐次方程，还包括非齐次方程。
非齐次方程的解法通常需要先求解齐次方程的通解，然后通过待定系数法求解特解。
此外，还有其他类型的二阶微分方程，如艾里方程等，其解法更为复杂。
二阶线性微分方程解的结构
二阶线性微分方程解的结构\[ \frac{d^2y}{dx^2} + p(x)\frac{dy}{dx} + q(x)y = f(x) \]其中，\(p(x)\)、\(q(x)\)和\(f(x)\)都是定义在一些区间上的函数。
解二阶线性微分方程可以分为齐次方程和非齐次方程两种情况。
齐次方程是指 \( f(x) = 0 \) 的情况，而非齐次方程则是 \( f(x) \neq 0 \) 的情况。
首先来看齐次方程。
对于齐次方程：\[ \frac{d^2y}{dx^2} + p(x)\frac{dy}{dx} + q(x)y = 0 \]可以先求出其特征方程：\[ \lambda^2 + p(x)\lambda + q(x) = 0 \]然后根据特征方程的根来确定齐次方程的解的结构。
1.当特征方程的两个根 \( \lambda_1 \) 和 \( \lambda_2 \) 相异实根时，方程的通解可以表示为：\[ y(x) = C_1e^{\lambda_1x} + C_2e^{\lambda_2x} \]其中，\(C_1\)和\(C_2\)是任意常数。
2.当特征方程的两个根 \( \lambda_1 \) 和 \( \lambda_2 \) 相等实根时，方程的通解可以表示为：\[ y(x) = (C_1 + C_2x)e^{\lambda_1x} \]其中，\(C_1\)和\(C_2\)是任意常数。
3.当特征方程的两个根 \( \lambda_1 \) 和 \( \lambda_2 \) 为共轭复根 \( \alpha \pm \beta i \) 时，方程的通解可以表示为：\[ y(x) = e^{\alpha x}(C_1\cos(\beta x) + C_2\sin(\beta x)) \]其中，\(C_1\)和\(C_2\)是任意常数。
接下来看非齐次方程。
对于非齐次方程：\[ \frac{d^2y}{dx^2} + p(x)\frac{dy}{dx} + q(x)y = f(x) \]其通解可以利用齐次方程的通解和一个特解的和来表示。
微分方程的解法
微分方程的解法微分方程是数学中的重要概念，被广泛应用于各个领域。
解微分方程是找到满足给定条件的函数表达式或数值解的过程。
在本文中，我将介绍微分方程的几种解法，并说明其具体应用。
一、一阶微分方程的解法一阶微分方程是最基础的微分方程类型，通常形式为dy/dx=f(x,y)，其中f(x,y)是已知函数。
下面介绍两种常见的一阶微分方程的解法：1. 分离变量法：分离变量法适用于可以将微分方程中的变量分开的情况。
具体步骤如下：(1) 将方程变形，将含有dy和dx的项分别放在等式两边；(2) 将等式两边分别关于y和x进行积分；(3) 解得y的表达式，得到方程的通解。
2. 齐次微分方程的解法：齐次微分方程是形如dy/dx=f(y/x)的微分方程。
具体步骤如下：(1) 令v=y/x，将原微分方程化为关于v的方程；(2) 求得关于v的方程的通解；(3) 代入v=y/x，得到原微分方程的通解。
二、二阶微分方程的解法二阶微分方程是更加复杂的微分方程类型，形如d²y/dx²=f(x,y,dy/dx)。
下面介绍两种常见的二阶微分方程的解法：1. 特征方程法：特征方程法适用于二阶常系数线性齐次微分方程。
具体步骤如下：(1) 假设原方程的解为y=e^(rx)，代入原方程，求得r的值；(2) 根据r的不同情况分别求得通解。
2. 变量替换法：变量替换法适用于二阶非齐次微分方程，通过适当的变量替换将原方程化简为一阶方程。
具体步骤如下：(1) 假设y=v/u，将原方程变形；(2) 求出v和u的关系式，将原方程转化为v和u的一阶方程组；(3) 解一阶方程组，得到u的表达式；(4) 代入y=v/u，得到原方程的通解。
三、应用案例微分方程作为数学工具，在物理学、生物学、工程学等领域有广泛的应用。
以下是一些实际应用案例：1. 弹簧振动方程：假设弹簧的振动满足y''+k/m*y=0，其中k是弹簧的劲度系数，m是弹簧的质量。
二阶线性微分方程的解法
ｌ６
中央 民 族 大 学 学 报 （自然 科 学 版 ）
第 ２７卷
微 分方 程 和函数 系数 的二 阶线性 齐次 微分 方程 ，它们 的一 般形 式分别 为
Ｙ ＋ Ｐ１Ｙ ＋ Ｐ２Ｙ ０
（４
２．１ 常 系 数 的 微 分 方 程 的 解 法
Ｙ ＋Ｐ１（ ）Ｙ ＋Ｐ２（ ）Ｙ ＝ ０
摘 要 ： 本 文 讨 论 了二 阶线 性 微 分 方 程 的解 法 ．由于 二 阶线 性 微 分 方 程解 法 的 难 易 程 度 取 决 于 其 系 数 形 式 ， 为 此 讨 论 系 数 是 常数 和 函 数 的 二 阶 线 性 常 微 分 方 程 ．分 别 应 用 特 征 方 程 法 和 幂 级 数 大 意 法 求 解 这 两 种 形 式 的 二 阶 方 程 ，并 给 出具 体 实 例 ． 关 键 词 ： 二 阶 线 性 微 分 方 程 ；特 征 方 程 ；幂 级 数 大 意 中 图分 类 号 ：０１３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００５—８０３６（２０１８）０３—００１５—０３
牛顿 利用 二 阶微 分方程 表述 了合 外 力和 物体 运动 位 移之 间的关 系… ．勒 维 烈 和亚 当斯 分别 通 过 建 立微 分方 程模 型 ，得 出当时 尚未 发现 的海 王星 之存 在 ．洛 伦 茨利 用 微分 方 程讨 论 热 对 流 问题 ，提 出 著 名 的 Ｌｏｒｅｎｚ系统 ，揭开 了混 沌理 论 的神秘 面纱 ．Ｖｏｈｅｒｒａ和 Ｌｏｔｋａ提 出 了 Ｖｏｈｅｒｒａ．Ｌｏｔｋａ微 分 方程模 型 ， 模 型 奠定 了种 间竞 争关 系 的理论基 础 ．诸 多例 子说 明微 分方 程模 型 的重要 作用 ，因此 根 据 实际 问题 建立 解决 问题 的微 分方 程模 型是 非常 重要 的 ，但是 要用 方 程模 型 揭 示 和预 测 实 际 问题 就需 要 知 道 该方 程 的解 ．本 文讨 论 一类 二 阶线性微 分 方程 的解 法．
二阶线性常微分方程的幂级数解法
二阶线性常微分方程的幂级数解法从微分方程学中知道，在满足某些条件下，可以用幂级数来表示一个函数。
因此，自然想到，能否用幂级数来表示微分方程的解呢？ 例1、求方程''0y xy -=的通解解：设2012n n y a a x a x a x =+++++……为方程的解，这里(0,1,2,,,)i a i n =……是待定常系数，将它对x 微分两次，有 将y ，'y 的表达式代入方程，并比较的同次幂的系数，得到x -∞<<∞2210a ⋅=，30320,a a ⋅-= 41430,a a ⋅-= 52540,a a ⋅-=或一般的可推得32356(31)3k a a k k =⋅⋅⋅⋅⋅-⋅，13134673(31)k a a k k +=⋅⋅⋅⋅⋅⋅+，其中1a ，2a 是任意的，因而代入设的解中可得：这个幂级数的收敛半径是无限大的，因而级数的和（其中包括两个任意常数0a 及1a ）便是所要求的通解。
例6 求方程'''240y xy y --=的满足初值条件(0)0y =及'(0)1y =的解。
解 设级数2012n n y a a x a x a x =+++++……为方程的解。
首先，利用初值条件，可以得到00a =， 11a =，因而将y ，'y ，''y 的表达式带入原方程，合并x 的各同次幂的项，并令各项系数等于零，得到 因而 最后得21111(1)!!k a k k k +=⋅=- , 20k a =, 对一切正整数k 成立。
将i a (0,1,2,)i =的值代回2012n n y a a x a x a x =+++++……就得到 这就是方程的满足所给初值条件的解。
是否所有方程都能按以上方式求出其幂级数解？或者说究竟方程应该满足什么条件才能保证它的解可用幂级数来表示呢？级数的形式怎样？其收敛区间又如何?这些问题，在微分方程解析理论中有完满的解答，但因讨论时需要涉及解析函数等较专门的知识，在此我们仅叙述有关结果而不加证明，若要了解定理的证明过程，可参考有关书籍。
二阶微分方程
是线性非齐次方程的解， 这说明函数 y = Y + y* 是线性非齐次方程的解， 是二阶线性齐次方程的通解， 又 Y 是二阶线性齐次方程的通解，它含有两个任意常 数，故 y = Y + y* 中含有两个任意常数 即 y = Y + y* 中含有两个任意常数. 的通解. 是线性非齐次方程 y″ + p(x)y′ + q(x)y = f (x) 的通解 ″ ′ 求二阶线性非齐次方程通解的一般步骤为： 求二阶线性非齐次方程通解的一般步骤为： (1) 求线性齐次方程 y″ + p(x)y′ + q(x)y = 0 的线性 ) ″ ′ 无关的两个特解 y1 与 y2， 得该方程的通解 Y=C1 y1 + C2 y2. (2) 求线性非齐次方程 y″ + p(x)y′ + q(x)y = f (x) 的 ) ″ ′ 一个特解 y*. 那么，线性非齐次方程的通解为 y = Y + y*. 那么，
1.二阶常系数线性齐次方程的解法 .
④ 考虑到左边 p，q 均为常数， 我们可以猜想该方程 ， 均为常数， ′ 形式的解， 为待定常数. 具有 y = erx 形式的解，其中 r 为待定常数 将 y′ = 代入上式， rerx, y″ = r2erx 及 y = erx 代入上式，得 ″ erx (r2 + pr + q) = 0 . ⑤ rx 是上述一元二次方程的根时， 即 r 是上述一元二次方程的根时， y = e 就是 式的解. 方程⑤称为方程④ 特征方程. ④式的解 方程⑤称为方程④的特征方程 特征方 程的根称为特征根 特征根. 程的根称为特征根 由于e 由于 rx ≠ 0，因此，只要 r 满足方程 ，因此， r2 + pr + q = 0， ， 设二阶常系数线性齐次方程为 y″ + py′ + qy = 0 . ″ ′
二阶常系数线性微分方程的解法
二阶常系数齐次线性方程解的性质 回顾
一阶齐次线性方程 y P( x) y 0 (1)
1、方程(1)的任意两个解的和仍是(1)的解； 2、方程(1)的任意一个解的常数倍仍是(1)的解；
2
二阶常系数齐次线性方程解的性质 y ay by 0 (2)
1、方程(2)的任意两个解的和仍是(2)的解； 2、方程(2)的任意一个解的常数倍仍是(2)的解；
Q( x) Qm ( x) , 即 y Qm ( x) erx 情形2 若 r 是特征方程的单根, 即 r2 ar b 0 ,
而 2r a 0 , 则令 Q( x) xQm ( x) , 即
y xQm ( x)erx
14
Q (2r a)Q (r 2 ar b)Q Pm ( x) (*) 情形3 若 r 是特征方程的二重根, 即 r2 ar b 0 ,
2
2
此时原方程的通解为
y
(C1
C 2 x)e2x
1 2
x 2e2x
；
Q( x) Ax2 , Q Pm ( x) , 2 A 1
21
y 4 yAe x ,
代入原方程,得
A
(
1 2)2
,
即特解为
y
(
1 2)2
e
x
,
此时原方程的通解为
于是 y x( 1 x 1)e2x ，
2
2
原方程通解为
y
C1e x
C 2e2 x
x(1 2
x
1) e2 x
.
18
例6 求微分方程 y 6 y 9 y x e3x 的通解.
解 特征方程 2 6 9 0 , 特征根 1,2 3 ，
对应齐次方程通解 Y (C1 C2 x)e3x . 因为 r 3 是二重特征根,
二阶常系数线性微分方程的解法
3
即原方程的通解为
y
C1e x
C2e3x
x
1 3
.
17
例5 求方程 y 3 y 2 y xe2x 的通解 .
解 特征方程 2 3 2 0 ,
特征根 1 1，2 2 ，
对应齐次方程通解 Y C1ex C2e2x .
2是单根，
定理2 设 y ( x) 是方程(1)的一个特解, Y ( x) 是(2)的通解, 那么方程(1)的通解为
y Y y .
11
三、二阶常系数非齐次线性方程解的性质及求解法
y ay by f ( x) (1)
对应齐次方程 y ay by 0 (2)
定理2 设 y ( x) 是方程(1)的一个特解, Y ( x) 是(2)的通解, 那么方程(1)的通解为
因为 r 0, 2 , r i 2i 不是特征根,故设特解为
x2Qm ( x)， 是二重特征根
然后将y 代入原方程，或根据恒等式(*)来确定 Q( x) ,从而得到特解 y .
若
f
(x)
Pm ( x)，可看成是 r
0
的特殊情形。
16
例4 求微分方程 y 2 y 3 y 3x 1 的通解.
解 特征方程 2 2 3 0
8
例1 求微分方程 y 2 y 3 y 0 的通解. 解 特征方程为 2 2 3 0
特征根为 1 1, 2 3
故所求通解为 y C1e x C2e3x 例2 求方程 y 2 y 5 y 0的通解.
解 特征方程为 2 2 5 0 解得 1，2 1 2i ,
二阶线性微分方程的解法
二阶常系数线性微分方程一、二阶常系数线形微分方程的概念形如(1))(x f qy y p y =+'+''的方程称为二阶常系数线性微分方程.其中、均为实数,为已知的p q )(x f 连续函数.如果,则方程式 (1)变成0)(≡x f(2)0=+'+''qy y p y 我们把方程(2)叫做二阶常系数齐次线性方程,把方程式(1)叫做二阶常系数非齐次线性方程. 本节我们将讨论其解法.二、二阶常系数齐次线性微分方程 1．解的叠加性定理1 如果函数与是式(2)的两个解, 则也是1y 2y 2211y C y C y +=式(2)的解,其中是任意常数.21,C C 证明 因为与是方程(2)的解,所以有 1y 2y 0111=+'+''qy y p y0222=+'+''qy y p y 将代入方程(2)的左边,得 2211y C y C y += )()()(221122112211y C y C q y C y C p y C y C ++'+'+''+''= 0)()(22221111=+'+''++'+''qy y p y C qy y p y C 所以是方程(2)的解. 2211y C y C y +=定理1说明齐次线性方程的解具有叠加性.叠加起来的解从形式看含有两个任意常数,但它不一定是方程式(2)的21,C C 通解.2.线性相关、线性无关的概念设为定义在区间I 内的n 个函数,若存在不全为零的常数,,,,21n y y y 使得当在该区间内有, 则称这,,,,21n k k k 02211≡+++n n y k y k y k n 个函数在区间I 内线性相关,否则称线性无关.例如 在实数范围内是线性相关的,因为 x x 22sin ,cos ,10sin cos 122≡--x x 又如在任何区间(a,b)内是线性无关的,因为在该区间内要使2,,1x x02321≡++x k x k k 必须.0321===k k k 对两个函数的情形,若常数, 则,线性相关,若常数, 则=21y y 1y 2y ≠21y y,线性无关.1y 2y 3.二阶常系数齐次微分方程的解法定理 2 如果与是方程式(2)的两个线性无关的特解,则1y 2y 为任意常数)是方程式(2)的通解.212211,(C C y C y C y +=例如, 是二阶齐次线性方程,是它的0=+''y y x y x y cos ,sin 21==两个解,且常数,即,线性无关, 所以 ≠=x y y tan 211y 2yx C x C y C y C y cos sin 212211+=+=( 是任意常数)是方程的通解. 21,C C 0=+''y y由于指数函数(r 为常数)和它的各阶导数都只差一个常数因子,rxe y =根据指数函数的这个特点,我们用来试着看能否选取适当的常数,rxe y =r 使满足方程(2).rxe y =将求导,得rxe y =rx rx e r y re y 2,=''='把代入方程(2),得 y y y ''',,0)(2=++rx e q pr r 因为, 所以只有(3)0≠rxe02=++q pr r 只要满足方程式(3),就是方程式(2)的解.r rxe y =我们把方程式(3)叫做方程式(2)的特征方程,特征方程是一个代数方程,其中的系数及常数项恰好依次是方程(2)的系数.r r ,2y y y ,,''' 特征方程(3)的两个根为 , 因此方程式(2)的通解2422,1qp p r -±-=有下列三种不同的情形.(1) 当时，是两个不相等的实根.042>-q p 21,r r,2421q p p r -+-=2422qp p r ---=是方程(2)的两个特解,并且常数,即x r x r e y e y 2121,==≠=-x r r e y y )(2121与线性无关.根据定理2,得方程(2)的通解为1y 2y x r x r e C e C y 2121+=(2) 当时, 是两个相等的实根.042=-q p 21,r r ,这时只能得到方程(2)的一个特解,还需求出另221p r r -==xr e y 11=一个解,且常数,设, 即 2y ≠12y y )(12x u y y=)(12x u e y x r =. )2(),(21121211u r u r u e y u r u e y x r x r +'+''=''+'='将代入方程(2), 得 222,,y y y '''[]0)()2(12111=++'++'+''qu u r u p u r u r u e x r 整理,得0])()2([12111=+++'++''u q pr r u p r u e x r 由于, 所以 01≠xr e 0)()2(1211=+++'++''u q pr r u p r u 因为是特征方程(3)的二重根, 所以1r02,01121=+=++p r q pr r 从而有0=''u 因为我们只需一个不为常数的解,不妨取,可得到方程(2)的另一x u =个解.x r xe y 12=那么,方程(2)的通解为x r x r xe C e C y 1121+=即.x r e x C C y 1)(21+=(3) 当时,特征方程(3)有一对共轭复根042<-q p ()βαβαi r i r -=+=21,0≠β于是x i x i e y e y )(2)(1,βαβα-+==利用欧拉公式 把改写为x i x e ixsin cos +=21,y y )sin (cos )(1x i x e e e e y x x i x x i ββαβαβα+=⋅==+)sin (cos )(2x i x e e e e y x x i x x i ββαβαβα-=⋅==--之间成共轭关系,取21,y y =,-1y x e y y x βαcos )(2121=+x e y y iy x βαsin )(2121_2=-=方程(2)的解具有叠加性,所以,还是方程(2)的解,并且-1y -2y 常数,所以方程(2)的通解为 ≠==--x xe x e y y x x βββααtan cos sin 12)sin cos (21x C x C e y x ββα+= 综上所述,求二阶常系数线性齐次方程通解的步骤如下:(1)写出方程(2)的特征方程02=++q pr r (2)求特征方程的两个根21,r r (3)根据的不同情形,按下表写出方程(2)的通解. 21,r r 特征方程的02=++q pr r 两个根21,r r 方程 的通0=+'+''qy y p y 解两个不相等的实根 21r r ≠xr xr eC e C y 2121+=两个相等的实根 21r r = xr e x C C y 1)(21+=一对共轭复根βαi r ±=2,1)sin cos (21x C x C e y x ββα+=例1求方程的通解. 052=+'+''y y y 解: 所给方程的特征方程为0522=++r ri r i r 21,2121--=+-=所求通解为.)2sin 2cos (21x C x C e y x +=-例2 求方程满足初始条件0222=++S dt dSdtS d 2,400-='===t t S S 的特解.解 所给方程的特征方程为0122=++r r121-==r r 通解为t e t C C S -+=)(21将初始条件代入,得 ,于是40==t S41=C ,对其求导得t e t C S -+=)4(2t e t C C S ---=')4(22将初始条件代入上式,得20-='=t S22=C 所求特解为t e t S -+=)24(例3求方程的通解. 032=-'+''y y y 解 所给方程的特征方程为 0322=-+r r 其根为1,321=-=r r 所以原方程的通解为x x e C e C y 231+=-二、二阶常系数非齐次方程的解法 1.解的结构定理3 设是方程(1)的一个特解,是式(1)所对应的齐次方程式(2)*y Y 的通解,则是方程式(1)的通解.*+=y Y y 证明 把代入方程(1)的左端:*+=y Y y)()()(*++*'+'+*''+''y Y q y Y p y Y = )()(*+*'+*''++'+''qy py y qY Y p Y=)()(0x f x f =+使方程(1)的两端恒等,所以是方程(1)的解.*+=y Y y *+=y Y y 定理4 设二阶非齐次线性方程(1)的右端是几个函数之和,如 )(x f(4))()(21x f x f qy y p y +=+'+''而与分别是方程 *1y *2y )(1x f qy y p y =+'+''与)(2x f qy y p y =+'+''的特解,那么就是方程(4)的特解, 非齐次线性方程(1)的特解有时可**+21y y 用上述定理来帮助求出.2.型的解法)()(x P e x f m xλ=,其中为常数,是关于的一个次多项式.)()(x P e x f m x λ=λ)(x P m x m方程(1)的右端是多项式与指数函数乘积的导数仍为同)(x f )(x P m xe λ一类型函数,因此方程(1)的特解可能为,其中是某个多xe x Q y λ)(=*)(x Q 项式函数. 把x e x Q y λ)(=*x e x Q x Q y λλ)]()(['+=*'x e x Q x Q x Q y λλλ)]()(2)([2''+'+=*''代入方程(1)并消去,得 xe λ(5))()()()()2()(2x P x Q q p x Q p x Q m =+++'++''λλλ 以下分三种不同的情形,分别讨论函数的确定方法:)(x Q(1) 若不是方程式(2)的特征方程的根, 即λ02=++q pr r ,要使式(5)的两端恒等,可令为另一个次多项式02≠++q p λλ)(x Q m :)(x Q mm m m x b x b x b b x Q ++++= 2210)(代入(5)式,并比较两端关于同次幂的系数,就得到关于未知数x m b b b ,,,10 的个方程.联立解方程组可以确定出.从而得到所求1+m ),,1,0(m i b i =方程的特解为x m e x Q y λ)(=*(2)若是特征方程的单根, 即λ02=++q pr r ,要使式(5)成立, 则必须要是次多02,02≠+=++p q p λλλ)(x Q 'm 项式函数,于是令)()(x xQ x Q m =用同样的方法来确定的系数. )(x Q m ),,1,0(m i b i = (3) 若是特征方程的重根,即λ02=++q pr r ,02=++q p λλ.02=+p λ要使(5)式成立,则必须是一个次多项式，可令)(x Q ''m)()(2x Q x x Q m =用同样的方法来确定的系数.)(x Q m 综上所述,若方程式(1)中的,则式(1)的特解为xm e x P x f λ)()(=x m k e x Q x y λ)(=*其中是与同次多项式,按不是特征方程的根,是特征方程)(x Q m )(x P m k λ的单根或是特征方程的重根依次取0,1或2.例4 求方程的一个特解.xey y 232-='+''解 是型, 且)(x f xm e x p λ)(2,3)(-==λx P m 对应齐次方程的特征方程为 ,特征根根为.022=+r r 2,021-==r r =-2是特征方程的单根, 令λ,代入原方程解得x e xb y 20-=*230-=b 故所求特解为.x xe y 223--=*例5 求方程的通解. xe x y y )1(2-='-''解 先求对应齐次方程的通解. 02=+'-''y y y 特征方程为 , 0122=+-r r 121==r r 齐次方程的通解为 .x e x C C Y )(21+= 再求所给方程的特解1)(,1-==x x P m λ由于是特征方程的二重根,所以1=λx e b ax x y )(2+=*把它代入所给方程,并约去得xe126-=+x b ax 比较系数,得61=a 21-=b 于是x e x x y )216(2-=*所给方程的通解为x e x x x C C y y y )6121(3221+-+=+=*3.型的解法x B x A x f ϖϖsin cos )(+=其中、、均为常数.,sin cos )(x B x A x f ωω+=A B ω此时,方程式(1)成为(7)x B x A q y p y ωωsin cos +=+'+''这种类型的三角函数的导数,仍属同一类型,因此方程式(7)的特解也*y 应属同一类型,可以证明式(7)的特解形式为)sin cos (x b x a x y k ωω+=*其中为待定常数.为一个整数.b a ,k 当不是特征方程的根, 取0; ω±i 02=++q pr r k 当不是特征方程的根, 取1; ω±i 02=++q pr r k 例6 求方程的一个特解. x y y y sin 432=-'+''解，不是特征方程为的根，.1=ωω±i i ±=0322=-+r r 0=k 因此原方程的特解形式为x b x a y sin cos +=*于是 x b x a y cos sin +-=*'x b x a y sin cos --=*''将代入原方程，得*''*'*y y y ,,⎩⎨⎧=--=+-442024b a b a 解得54,52-=-=b a 原方程的特解为:x x y sin 54cos 52--=*例7 求方程的通解.x e y y y xsin 32+=-'-''解 先求对应的齐次方程的通解.对应的齐次方程的特征方程为Y0322=--r r3,121=-=r rx x e C e C Y 321+=- 再求非齐次方程的一个特解.*y 由于,根据定理4,分别求出方程对应的右端项为x e x x f -+=2cos 5)(的特解、,则 是原方程的一,)(1x e x f =x x f sin )(2=*1y *2y **+=*21y y y 个特解.由于,均不是特征方程的根,故特解为1=λω±i i ±= )sin cos (21x c x b ae y y y x ++=+=***代入原方程,得x e x c b x c b ae x x sin sin )42(cos )24(4=-++--比较系数,得14=-a 024=+c b 142=-c b 解之得 . 51,101,41-==-=c b a 于是所给方程的一个特解为x x e y x sin 51cos 10141-+-=*所以所求方程的通解为 . x x e e C e C y Y y x x x sin 51cos 10141321-+-+=+=-*。
第三节-二阶常系数线性微分方程的解法
(*)
情形3
若 r 是特征方程的二重根, 即 r 2 ar b 0 ,
且 2r a 0 , 则令 Q( x) x 2 Qm ( x) , 即
y x Qm ( x ) e
2
rx
15
2 Q ( 2r a )Q ( r ar b)Q Pm ( x )
于是 (2)的通解为
y (C 1 C 2 x ) e
1 x
.
6
情形3 若 0 , 则特征方程(3)有一对共轭复根
1,2 i
x x y e cos x , y e sinx 可以证明, 1 2
是(2)的解，且线性无关， 所以方程(2)的通解为
y e (C1 cos x C 2 sin x )
1 x
,得
2 u (21 a)u (1 a1 b)u 0 ,
因为 1 是方程 2 a b 0 的二重根,
2 故有 1 a1 b 0 , 21 a 0 ,
1 x u x , 即得 y2 x e , u 0 , 取特解
rx
情形2 若 r 是特征方程的单根, 即 r 2 ar b 0 ,
而 2r a 0 , 则令 Q( x ) xQm ( x ) , 即
y xQm ( x ) e r x
14
2 Q ( 2r a )Q ( r ar b)Q Pm ( x )
2
3x
的通解.
特征方程 6 9 0 , 特征根 1, 2 3 ，
对应齐次方程通解 Y (C1 C2 x) e3 x .
因为 r 3 是二重特征根,
二阶线性微分方程及其解法
n 阶微分方程的一般形式为：()(,,',",,)0n F x y y y y =L ，一般情况下，求n 阶微分方程的解是困难的. 作为基础知识，本节仅讨论二阶常系数线性微分方程的求解方法.一、 二阶线性微分方程解的结构如果二阶微分方程)',,(''y y x F y =的未知函数及其导数都是一次项的，称为二阶线性微分方程. 二阶线性微分方程的一般形式为).()(')(''x f y x q y x p y =++ （）如果0)(≡x f ，则方程（）成为.0)(')(''=++y x q y x p y （）方程（）称为二阶齐次线性微分方程，相应地，方程（）称为二阶非齐次线性微分方程. 定理 齐次线性微分方程解的叠加性定理. 设1y 和2y 是二阶齐次线性微分方程（）的两个解，则2211y c y c y +=也是微分方程（）的解，其中21,c c 为任意常数.证： 将2211y c y c y +=代入方程（）的左端，可得))(()')((')'(221122112211y c y c x q y c y c x p y c y c +++++))(()'')(()''''(221122112211y c y c x q y c y c x p y c y c +++++==+++))(')(''(1111y x q y x p y c ))(')(''(2222y x q y x p y c ++=0，所以，2211y c y c y +=也是微分方程（）的解.□定理表明，二阶齐次线性微分方程的解可叠加. 如果我们已知二阶齐次线性微分方程的两个解1y 和2y ，很容易得到含有任意常数21,c c 的解，2211y c y c y +=. 如果解1y 和2y 有一定关系，那么，解2211y c y c y +=中的任意常数21,c c 可以合并成一个任意常数. 因此，依据本章第一节的论述，它并不是二阶齐次线性微分方程的通解. 那么，二阶齐次线性微分方程的两个解1y 和2y 要满足哪些条件才能使解2211y c y c y +=成为二阶齐次线性微分方程的通解呢？为此，引入线性相关和线性无关的概念.定义 设函数1y 和2y 是定义在某个区间I 上的两个函数，如果存在两个不全为零的常数21,c c ，使02211=+y c y c在区间I 上恒成立，则称函数1y 和2y 在区间I 上是线性相关的，否则是线性无关的.确定两个函数1y 和2y 在区间I 上是否线性相关的简易方法为：看这两个函数之比12y y 是否为常数. 如果12y y 等于常数，则1y 与2y 线性相关；如果12y y 等于函数，则1y 与2y 线性无关. 例如, 123,y y =则1y 与2y 线性相关. 12y x y =,则1y 与2y 线性无关. 定理 二阶齐次线性微分方程的通解结构定理. 如果1y 和2y 是二阶齐次线性微分方程（）的两个线性无关的特解，则2211y c y c y +=是微分方程（）的通解，其中21,c c 为任意常数.例如, 1x y e =,22x y e =,3x y e -=42x y e -=都是二阶齐次线性微分方程10y ''-=的解, 21,c c 是任意常数,则下列哪些选项表示微分方程10y ''-=的通解:A. 1122c y c y +B. 1124c y c y +C. 112c y c +D. 1324c y c y +E. 113c y y +F. 114y c y +G. 112234()()c y y c y y +++由二阶齐次线性微分方程的通解结构定理,可知:选项B,G 为该方程的通解.本定理可推广到更高阶齐次线性微分方程.定理 非齐次线性微分方程的通解结构定理. 如果*y 是二阶非齐次线性微分方程（）的一个特解，Y 是该方程对应的二阶齐次线性微分方程（）的通解，即余函数，则*y Y y +=是二阶非齐次线性微分方程（）的通解.证： 将*y Y y +=代入方程（）的左端，可得*))((*)')(('*)'(y Y x q y Y x p y Y +++++*))(()*'')(()'*'''(y Y x q y Y x p y Y +++++==+++))(')(''(Y x q Y x p Y *))(*')('*'(y x q y x p y ++=)(x f ，所以，*y Y y +=是微分方程（）的解，又Y 是二阶齐次线性微分方程（）的通解，它含有两个任意常数，即解中*y Y y +=含有两个任意常数，因此*y Y y +=是二阶非齐次线性微分方程（）的通解.□上述定理和定义是求非齐次线性微分方程通解的理论基础.根据上述定理和定义，求二阶非齐次线性微分方程通解的步骤为：（1） 求对应的二阶齐次线性微分方程（）的两个线性无关的特解1y 和2y ，构成对应的二阶齐次线性微分方程的余函数2211y c y c Y +=；（2） 求二阶非齐次线性微分方程（）的一个特解*y ；则，二阶非齐次线性微分方程（）的通解为*y Y y +=.上述步骤也适用于求更高阶非齐次线性微分方程的通解.二、 二阶常系数齐次线性微分方程二阶常系数齐次线性微分方程的一般形式为.0'''=++qy py y （）其中p ，q 为常数. 根据定理，要求二阶常系数齐次线性微分方程（）的通解，只要求出该方程的任意的两个线性无关的特解1y 和2y 即可. 注意到方程（）的系数是常数，可以设想如果能找到一个函数y ，其导数''y ，'y 和y 之间只相差一个常数，该函数就可能是方程（）的特解. 而基本初等函数中的指数函数x e y λ=恰好具有这个性质. 因此，设方程（）的解为x e y λ=，其中λ为待定常数，将xe y λ=、x e y λλ='和x e y λλ2"=代入微分方程（），则有0)(2=++x e q p λλλ，即02=++q p λλ （）我们称方程（）为二阶常系数齐次线性微分方程（）的特征方程，而称q p F ++=λλλ2)(为二阶常系数齐次线性微分方程（）的特征多项式，特征方程的根2422,1q p p -±-=λ 称为二阶常系数齐次线性微分方程（）的特征根.因为微分方程（）的特征方程（）为二次代数方程，其特征根有三种可能的情况，下面分别讨论并给出微分方程（）的通解.（1） 当042>-q p 时，特征方程有两个相异的实根1λ和2λ，因此，微分方程有两个特解x x e y e y 2121,λλ==由于x e y y )(2121λλ-=，所以21,y y 线性无关.故二阶常系数齐次线性微分方程（）的通解为x x e c e c y 2121λλ+= （21,c c 为任意常数） （）（2） 当042=-q p 时，特征方程有重根21λλλ==，因此，微分方程只有一个特解x e y λ=1.设x e x h y x h y λ)()(12==是微分方程（）另一个特解，求导得:x x e x h e x h y λλλ)()(''2+=， x x x e x h e x h e x h y λλλλλ)()('2)(""22++=. 将222",',y y y 代入微分方程（），注意到方程02=++q p λλ和2p -=λ，化简后得：0)("=x h .满足这个条件的函数无穷多, 取最简单的一个x x h =)(，则微分方程（）另一个特解为xxe y λ=2，且21,y y 线性无关.故二阶常系数齐次线性微分方程（）的通解为 x e x c c y λ)(21+= （21,c c 为任意常数） （）（3） 当042<-q p 时，特征方程有一对共轭复根βαλi +=1，βαλi -=2 其中2p -=α，242p q -=β. 因此，微分方程有两个特解x i x i e y e y )(2)(1,βαβα-+==.因为x i e y y β221=，所以21,y y 线性无关. 为了便于在实数范围内讨论问题，我们用欧拉公式找两个线性无关的实数解.由欧拉公式x i x e ixsin cos +=可得 ),sin (cos 1x i x e y x ββα+=),sin (cos 2x i x e y x ββα-=根据齐次线性微分方程的解的叠加性定理,有,cos )(2121x e y y x βα=+.sin )(2121x e y y ix βα=-x e x βαcos 和x e xβαsin 均为微分方程（）的解. 而x x e x e x x βββααcot sin cos =. 故二阶常系数齐次线性微分方程（）的通解为x e x c x c y αββ)sin cos (21+= （21,c c 为任意常数） . （）综上所述，求二阶常系数齐次线性微分方程（）的通解，只须先求出其特征方程（）的根，再根据特征根的不同情况，分别选用公式（）、（）或（），即可写出其通解.上述求二阶常系数齐次线性微分方程（）的通解的方法称为特征根法，其步骤为：（1） 写出的特征方程；（2） 求出特征根；（3） 根据特征根的三种不同情况，分别用公式（）、（）或（）写出微分方程（）的通解. 特征根法亦适用于求更高阶常系数齐次线性微分方程的通解.例1 求方程04'3"=--y y y 的通解.解： 特征方程为,0432=--λλ特征根41=λ，,12-=λ所求通解为x x e c e c y -+=241 （21,c c 为任意常数）.例2 求方程0'2"=++y y y 的通解.解： 特征方程为,0122=++λλ特征根,121-==λλ 所求通解为x e x c c y -+=)(21 （21,c c 为任意常数）.例3 求方程0'"=++y y y 的通解.解： 特征方程为,012=++λλ 特征根,23212,1i ±-=λ 所求通解为 ,)23sin 23cos (2121x e x c x c y -+= （21,c c 为任意常数）. 例4 求方程04'4"=+-y y y 的满足定解条件1)0(=y ，4)0('=y 的特解.解： 特征方程为,0442=+-λλ特征根,221==λλ 所求通解为x e x c c y 221)(+=对上式求导，得,)(2'22122x x e x c c e c y ++=由定解条件1)0(=y ，4)0('=y 代入：11=c ，,22=c因此，所求特解为x e x y 2)21(+=.三、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的一般形式为).('''x f qy py y =++ （p ，q 为常数） （）由定理可知，如果*y 是二阶非齐次线性微分方程的一个特解，则二阶非齐次线性微分方程的通解为*y Y y += 其中Y 为余函数，即该方程对应的二阶齐次线性微分方程的通解，可用二中的方法求得.当)(x f 为某些特殊类型函数时，可用待定系数法确定二阶非齐次线性微分方程一个特解*y ，代入公式（）即可得到二阶非齐次线性微分方程的通解. 现就)(x f 为某些特殊类型函数时，讨论用待定系数法确定二阶非齐次线性微分方程一个特解*y 的方法.1、 当()()x m f x x e μϕ=，其中μ为常数，()m x ϕ为m 次多项式：1011()m m m m m x b x b x b x b ϕ--=++⋅⋅⋅++，0≥m .因为多项式与指数函数的积的导数的形式不变，因此设微分方程（）的一个特解为x e x z y μ)(*=，)()(x x x z m k ψ=其中)(x m ψ为m 次待定多项式.例如, 0()3,x ϕ=则设00()x B ψ=;1(),x x ϕ=101()x B x B ψ=+;22()1,x x ϕ=+则设22012().x B x B x B ψ=++以2*"["()2'()()]x y z x z x z x e μμμ=++，代入微分方程（），整理后可得待定系数平衡公式2()()(2)'()''()()m p q z x p z x z x x μμμϕ+++++=或()()'()'()''()()m F z x F z x z x x μμϕ++=. （）由此，通过比较两端x 的同次幂的系数确定待定多项式()()k m z x x x ψ=中的待定系数. 因为特征方程的根不同，)(x z 的次数也不同，分别讨论之.（1） 当0)(2≠++=q p F μμμ，即μ不是特征方程的根时，要使平衡公式（）的两端恒等，)(x z 与()m x ϕ应为同次多项式，即 m m m m m B x B x B x B x x x z ++⋅⋅⋅++==--11100)()(ψ代入平衡公式（），比较等式两端x 的同次幂的系数，可得含有待定系数m B B B ,,,10⋅⋅⋅的1+m 个联立方程：,)(002b B q p =++μμ,)(2)(1012b mB p B q p =++++μμμ……确定),,2,1,0(m i B i ⋅⋅⋅=，就可以确定待定多项式)(x z ，得到微分方程（）的一个特解x e x z y μ)(*=.(2) 当0)(2=++=q p F μμμ，即μ是特征方程的单根时，0)('≠μF . 要使平衡公式（）的两端恒等， )('x z 与()m x ϕ为同次多项式，设 )()()(1110m m m m m B x B x B x B x x x x z ++⋅⋅⋅++==--ψ.用与（1）同样的方法，就可以确定)(x z ，得到微分方程（）的一个特解x ex z y μ)(*=. (3) 当0)(2=++=q p F μμμ，02)('=+=p F μμ，即μ是特征方程的重根时，要使平衡公式（）的两端恒等，)(''x z 与()m x ϕ为同次多项式，设)()()(111022m m m m m B x B x B x B x x x x z ++⋅⋅⋅++==--ψ.用与（1）同样的方法，就可以确定)(x z ，得到微分方程（）的一个特解x e x z y μ)(*=.上述讨论可归纳如下：当()()x m f x x e μϕ=，其中常数μ，m 次多项式)(x m ϕ已知，微分方程的特解形式为x m k x e x x e x z y μμψ)()(*==，即()()k m z x x x ψ=，其中：)(x m ψ与()m x ϕ为同次多项式；2,1,0=k ，分别根据μ不是特征方程的根、是特征方程的单根或是特征方程的重根而确定.2、 当)sin cos ()(x b x a e x f xββα+=，其中βα,,,b a 为常数时，可得复数βαi ±.设微分方程的特解形式为 x k e x A x A x y αββ)sin cos (*21+=，其中：21,A A 为待定常数；1,0=k ，分别根据βαi ±不是特征方程的根或是特征方程的一对共轭复根而确定.以*",*'*,y y y 代入原方程，比较同类项的系数，解得21,A A . 例5 求方程2"'(72)xy y y x e ++=-的通解.分析：所给方程为二阶常系数非齐次线性微分方程，通解可写为*y Y y += 其中Y 为余函数，2,μ=，1()72x x ϕ=-可用待定系数平衡公式确定.解：特征方程为 ,012=++λλ 其特征根为2312,1i ±-=λ，余函数为 x e x c x c Y 2121)23sin 23cos (-+= 21,c c 为任意常数. 特征多项式为1)(2++=λλλF ，且()21F λλ'=+,2=μ不是特征方程的根.设201*(),().x y z x e z x B x B ==+根据待定系数平衡公式,010001(2)()(2)()()7()57(57)7 2.F z x F z x z x B x B B B x B B x ''''++=++=++=-比较系数, 077,B = 01572B B +=-, 得2011,1,(1).x B B y x e *==-=-即所求通解为1221233(cos sin )+1)22x x y c x c x e x e -=+-（ （21,c c 为任意常数）. 例6 求方程2'2"x y y y =+-的通解.分析: 220x x x e ⋅=.解：特征方程为,0122=+-λλ其特征根为12,1=λ，余函数为x e x c c Y )(21+= 21,c c 为任意常数.特征多项式为12)(2+-=λλλF ，且)1(2)('-=λλF0=μ不是特征方程的根，22()x x ϕ=为二次多项式，故设2012*()y z x B x B x B ==++，根据待定系数平衡公式得)22()4(2)2)(0('))(0(21010202102120B B B x B B x B B B x B F B x B x B F +-++-+=+++++,2x =比较等式两端x 同次幂的系数，可得 ,10=B ,0410=+-B B ,022210=+-B B B解得,6,4,0210===B B B 即2*4 6.y x x =++所求通解为 64)(221++++=x x e x c c y x （21,c c 为任意常数）.例7 求方程"2'316xy y y xe +-=通解.解：特征方程为 ,0322=-+λλ其特征根为2,121-==λλ，余函数为x x e c e c Y 221-+= 21,c c 为任意常数.特征多项式为32)(2-+=λλλF ，且)1(2)('+=λλF1=μ是特征方程的单根，1()16x x ϕ=为一次多项式，故设01*()x y x B x B e =+，即 01()()z x x B x B =+，根据待定系数平衡公式得010001(1)()(1)()()4(2)28(24)16,F z x F z x z x B x B B B x B B x ''''++=++=++=比较系数, 001816,240B B B =+=,得012,1,(21).x B B y x x e *==-=-所求通解为312(21)x x x y c e c e x x e -=++-, (21,c c 为任意常数).例8 求方程x ey y y 24'4"-=++的通解.解：特征方程为 ,0442=++λλ其特征根为221-==λλ，余函数为x e x c c Y 221)(-+= 21,c c 为任意常数.特征多项式为44)(2++=λλλF ，且42)('+=λλF2-=μ是特征方程的重根，0()1x ϕ=为零次多项式，故设x e x B y 220*-=，即20)(x B x z =.根据待定系数平衡公式得001(2)()(2)()()21,,2F z x F z x z x B B ''''-+-+=== x e x y 2221*-=. 所求通解为22121()2x y c c x x e -=++ (21,c c 为任意常数). 例9 求方程x y y 2cos 24"=+的通解.分析：所给方程为二阶常系数非齐次线性微分方程，通解可写为*y Y y += 其中Y 为余函数，可用节二中的方法求得：*y 为一个特解，可用待定系数法确定.解：特征方程为,042=+λ其特征根为i 22,1±=λ，余函数为,2sin 2cos 21x c x c Y += 21,c c 为任意常数.因为x x f 2cos 2)(=，2,0==βα，i 2±是特征方程的一对共轭复根.设微分方程的特解为12*(cos 2sin 2)y x A x A x =+， 12,A A 为待定常数.1221*'cos 2sin 22(cos 2sin 2)y A x A x x A x A x =++-，1212*"4sin 24cos 24(cos 2sin 2),y A x A x x A x A x =-+-+代入方程x y y 2cos 24"=+，可得214cos 24sin 22cos 2A x A x x -=，比较等式两端x x 2cos ,2sin 项的系数，得1210,2A A ==， 特解为 .2sin 21*x x y =所求通解为 x x x c x c y 2sin 212sin 2cos 21++= (21,c c 为任意常数). 例10 求方程x e y y y 22'"-=-+满足定解条件38)0(',0)0(==y y 的特解. 解：特征方程为,022=-+λλ其特征根为2,121-==λλ，余函数为x x e c e c Y 221-+= 21,c c 为任意常数.特征多项式为2)(2-+=λλλF ，且12)('+=λλF2-=μ是特征方程的单根，0()1x ϕ=为零次多项式，故设微分方程的特解为x xe B y 20*-=，即x B x z 0)(=.根据待定系数平衡公式得0(2)()(2)()()31,F z x F z x z x B ''''-+-+=-= 01,3B =- 所以，特解为x xe y 231*--=， 所求通解为x x x xe e c e c y 222131---+= (21,c c 为任意常数). x x x x xexe e c e c y 2222132312'---+--=， 由定解条件38)0(',0)0(==y y 代入可得：021=+c c ，,3221=-c c 联立求解得1,121-==c c ，所以，方程满足定解条件的特解为.3122xx x xe e e y ----=。
二阶线性常微分方程的解的结构
二阶线性常微分方程的解的结构 二阶线性常系数微分方程的解的求法二阶线性常微分方程：y ’’+p(x)y ’+q(x)y=r(x) p(x)、q(x)、r(x)是区间I 上的已知函数 y ’’+p(x)y ’+q(x)y=0 齐次 y ’’+p(x)y ’+q(x)y=r(x)，r(x)≠0, 非齐次【一】对齐次方程：y ’’+p(x)y ’+q(x)y=01.若y 1(x)和y 2(x)都是上述齐次方程的解，则C 1y 1(x)+C 2y 2（x ）仍是上述方程的解.2.若y 1(x)和y 2(x)在区间I 上线性无关，即αy 1(x)+βy 2(x)=0仅当α=β=0时成立， 则y=C 1y 1(x)+C 2y 2（x ）即是y ’’+p(x)y ’+q(x)y=0的通解。
【y ’’+p(x)y ’+q(x)y=0的任何一个解可表示成y=C 1y 1(x)+C 2y 2（x ）的形式】由上述1和2，求y ’’+p(x)y ’+q(x)y=0的通解，只需找到两个其两个线性无关的特解.【二】对非齐次方程：y ’’+p(x)y ’+q(x)y=r(x)，r(x)≠0y*(x)是其一y ’’+p(x)y ’+q(x)y=r(x)，r(x)≠0的一个特解Y(x)是对应齐次方程y ’’+p(x)y ’+q(x)y=0的某个解则1）y*’’+py*’+qy*=r 2) y ’’+py ’+qy=r两式相减：（y-y*）’’ + p(y-y*) ‘+q(y-y*)=0记Y=y-y*,则Y 是对应齐次方程y ’’+p(x)y ’+q(x)y=0的通解 y=y*+Y即：y ’’+p(x)y ’+q(x)y=r(x)，r(x)≠0的任何一个解y(x)都可以表示为：y(x)=y*(x)+Y(x) 即：非齐次方程的通解=非齐次方程的一个特解+对应其次方程的通解.如何求二阶线性常系数齐次微分方程y ’’+p(x)y ’+q(x)y=0 的通解？设y(x)是 y ’’+p(x)y ’+q(x)y=0 的解，p 、q 均为常数 则在I 内y ’’(x)+py ’(x)+qy(x)=0,恒成立所以y ’、py ’、qy 必须能够抵消掉，即y 、y ’、y ’’必须是同一类型的函数. 只能是指数函数令kxe =y 是方程y ’’+py ’+qy=0（p 、q 为常数）的解 即0k 2≡++kxe q pk ）（，可得02=++q pk k02=++q pk k 是一个一元二次方程，称为y ’’+py ’+qy=0的特征方程解一元二次方程得.24,24k 2221q p p k q p p ---=-+-=则与k 1k 2对应的.,y 2121xk xk e y e ==必是y ’’+py ’+qy=0（p 、q 为常数）的解但是.,y 2121xk xk e y e ==是否线性无关？【能否构成通解y ’’+py ’+qy=0（p 、q 为常数）】 分类讨论： 1.04p 2>-q即k 1k 2是两个不等实根，且常数≠=-)(2121e x k x k x k x k e e ，即.,y 2121xk x k e y e ==线性无关所以x k xk e C eC 2121y +=2.04p 2<-q.,k 21βαβα-=+=k i 是一对共轭的复根则)s i n (c o s )()s i n (c o s )()(2)(121x i x e eex y x i x e e e x y xxi xk x x i x k -===+===-+ββαβααβα 线性无关复函数用起来不方便，不用其来构造y ’’+py ’+qy=0（p 、q 为常数）的通解取其线性组合：x e e e ix yx e e e x yx x k x k x x k xk ββααsin )(21)(ˆcos )(21)(ˆ212121=-==+=)(y ˆ),(yˆ21x x 是y ’’+py ’+qy=0（p 、q 为常数）的解，且)(y ˆ),(y ˆ21x x 线性无关. y ’’+py ’+qy=0（p 、q 为常数）的通解：)sin cos ()(21x C x C e x y xββα+= 3.042=-q p此时k 1=k 2，即重根，记重根为k ，kxe x =)(y 1必是y ’’+py ’+qy=0（p 、q 为常数）的一个解 求通解，只需再找一个与kxe x =)(y 1线性无关的解.将上述这个解表示成为待定函数但非常数)(,)(y x u e x u kx=，代入y ’’+py ’+qy=0（p 、q 为常数），得到0])(')2(''[e 2=++++++u q pk k u p k u kx ，)2,0(k 212pk k q pk -===++ 所以u ’’=0.取u(x)=x,则得到y ’’+py ’+qy=0（p 、q 为常数）的另一个解kxxe y = 此时y ’’+py ’+qy=0（p 、q 为常数）的通解为kx e x C C x )()(y 21+=如何求二阶线性常系数非齐次微分方程y ’’+p(x)y ’+q(x)y=r(x)，r(x)≠0的通解？由刚开始的分析，只需求出它的一个特解y*(x)设齐次方程通解为)()()(2211x y C x y C x y +=，)()(y 21x y x 、是齐次方程的两个线性无关解 设非齐次方程有一个形如)()()()()(2211*x y x C x y x C x y +=的解.上一行中的21,C C 已变易为待定函数接下来的任务是选择)(),(21x C x C ，使)()()()()(2211*x y x C x y x C x y +=是y ’’+p(x)y ’+q(x)y=r(x)，r(x)≠0的一个解将)()()()()(2211*x y x C x y x C x y +=代入y ’’+p(x)y ’+q(x)y=r(x)，r(x)≠0中得到：()()()()()()()()()x y x C x y x C x y x C x y x C x '''''y 22112211*+++=因为只要求出一个特解，即只要确定一组函数)(),(21x C x C ，我们就有比较大的自由度对)(),(21x C x C 加以限制，如选择)(),(21x C x C 使()()()()0''2211=+x y x C x y x C这样，()()()()()()()()()()()()()()x y x C x y x C x y x C x y x C x x y x C x y x C x 22112211*2211*'''''''''y'''y'+++=+=将()()()()()()()()()()()()()()()()()()()x y x C x y x C x y x C x y x C x x y x C x y x C x x y x C x y x C x 22112211*2211*2211*'''''''''y'''y'y +++=+=+=代入y ’’+p(x)y ’+q(x)y=r(x)，r(x)≠0()()()()()()()()()()()()()()()()()()()x r x y x C x y x C q x y x C x y x C p x y x C x y x C x y x C x y x C =+++++++2211221122112211''''''''''()()x x 21y ,y 都是齐次方程的解，可将上式化简为()()()()()x r x y x C x y x C =+2211''()()()()0''2211=+x y x C x y x C 与()()()()()x r x y x C x y x C =+2211''是关于()()x C x C 21,的线性代数方程组，解之，得()()()()()()()()()()()()()()()()x y x y x y x y x r x y x y x C x y x y x y x y x y x r x y x C 21211122121221'''0','''0'==再积一次分即可求出()()x C x C 21,.这就是参数变易法求二阶线性常系数非齐次微分方程.。
6.3二阶线性微分方程解法
dt 2
dt
若受到铅直干扰力F H sin pt,
d 2 x 2n dx k 2 x hsin pt 强迫振动的方程
dt 2
dt
Lc
d 2uc dt 2
2
duc dt
02uc
Em LC
sint
串联电路的振荡方程
y P(x) y Q(x) y f (x)
二阶线性微分方程 当 f ( x) 0时， 二阶线性齐次微分方程 当 f ( x) 0时，二阶线性非齐次微分方程
y C1 y1 C2 y2 Cn yn
例4 求方程 y(5) y(4) 2 y(3) 2 y y y 0 的通解. 解 特征方程为 r 5 r 4 2r 3 2r 2 r 1 0,
(r 1)(r 2 1)2 0, 特征根为 r1 1, r2 r3 j, r4 r5 j,
例如 y y 0, y1 cos x, y2 sin x,
且 y2 tan x 常数, y1
y C1 cos x C2 sin x.
2.二阶非齐次线性方程的解的结构:
定理 3 设 y*是二阶非齐次线性方程
y P( x) y Q( x) y f ( x)
(2)
的一个特解, Y 是与(2)对应的齐次方程(1)的通
2 2j
2 2j
P( x)e( j ) x P ( x)e( j ) x ,
设 y py qy P( x)e( j )x ,
y x Q e , *
k
( j ) x
1
m
设 y py qy P ( x)e( j )x ,
y x Q e , *
k
( j ) x
1
m
y* xk ex[Qme jx Qme jx ]
《高等数学》第三节 二阶常系数线性微分方程
二阶常系数线性微分方程
一、二阶线性微分方程解的结构 二、二阶常系数线性齐次微分方程的解法 三、二阶常系数线性非齐次微分方程的解法
一、二阶线性微分方程解的结构
形如 y'' P( x) y' Q( x) y f ( x)
(1)
的方程，称为二阶线性微分方程.当 f ( x) 0 时，
把它们分别代入所给方程左端，得 e x e x 2e x 0, 4e 2 x 2e 2 x 2e 2 x 0，
故y1 ( x) e x与y2 ( x) e 2 x 都是原方程的解.
y 2 ( x) e x 2 x e 3 x 常数， y1 ( x) e
0，
即
y C1 y1 ( x) C2 y2 ( x)满足方程(3)，
所以它是方程(3)的解.
这个定理表明，二阶线性齐次微分方程任何两 个解y1(x)， y2(x)的线性组合 C1 y1 ( x) C2 y2 ( x) ，仍 是方程的解.那么，y C1 y1 ( x) C2 y2 ( x) 是不是方程 (3)的通解呢？
成立，则称函数y1(x) 与y2(x) 在该区间内线性相关，
否则称y1(x) 与y2(x) 线性无关.
定理 如果函数y1(x) 与y2(x)是二阶常系数线性齐次微 分方程(3)的两个线性无关的特解，则
y C1 y1 ( x) C2 y 2 ( x) (C1 , C2为任意常数)
就是方程(3)的通解.
也是它的解.但这个解中只含有一个任意常数C，显 然它不是所给方程的通解.
问题：方程(3)的两个特解y1(x)， y2(x)满足什么条件时，
y C1 y1 ( x) C2 y2 ( x) (C1，C2为任意常数)
2.2二阶常系数线性微分方程的解法
13
2.2 二阶常系数线性微分方程的解法
1. f (x) Pm(x)ex ( 其中 pm ( x)是 x 的 m 次多项式 )
这时方程②为 ay by cy Pm ( x)ex
③
可以设 y Q( x)ex ( 其中Q( x) 是多项式 ) 。
例 1．求方程 y 5 y 6 y 2x 3 的特解。
解： f ( x) 2x 3 (2x 3)e0x ，
属 f ( x) Pm ( x)e x 型（ m 1, 0 ），
特征方程为 r2 5r 6 0 ， r1 2 ， r2 3 ，
∵ 0 不是特征根，
∴设特解为 y Q1( x)e0x Aox A1 ，
得 erx (ar 2 br c) 0 ，但 erx 0 ，故有
ar 2 br c 0 ，
②
2
2.2 二阶常系数线性微分方程的解法
ar 2 br c 0 ，
②
若 r 是一元二次方程②的一个根，则 y erx 就是 方程①的一个特解。
方程②叫做方程①的特征方程。
按特征方程的两个根 r1, r2 的三种可能情况： 1． r1 r2 是两个不相等的实根； 2． r1 r2 是两个相等的实根；
9
2.2 二阶常系数线性微分方程的解法
高阶常系数线性齐次方程的解法 n 阶常系数线性齐次方程为
a0 y(n) a1 y(n1) an1 y an y 0 ， ③
其特征方程为 a0r n a1r n1 an1r an 0 . ④
方程②是一个一元 n 次方程， 有 n 个根。类似二阶常系
Q( x) 应为 m 次多项式 , Q( x) 应为 m 1 次多项式 ,
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二阶常系数线性微分方程一、二阶常系数线形微分方程的概念形如 )(x f qy y p y =+'+'' (1)的方程称为二阶常系数线性微分方程.其中p 、q 均为实数,)(x f 为已知的连续函数.如果0)(≡x f ,则方程式 (1)变成0=+'+''qy y p y (2)我们把方程(2)叫做二阶常系数齐次线性方程,把方程式(1)叫做二阶常系数非齐次线性方程. 本节我们将讨论其解法.二、二阶常系数齐次线性微分方程1．解的叠加性定理1 如果函数1y 与2y 是式(2)的两个解, 则2211y C y C y +=也是式(2)的解,其中21,C C 是任意常数.证明 因为1y 与2y 是方程(2)的解,所以有0111=+'+''qy y p y 0222=+'+''qy y p y 将2211y C y C y +=代入方程(2)的左边,得)()()(221122112211y C y C q y C y C p y C y C ++'+'+''+'' =0)()(22221111=+'+''++'+''qy y p y C qy y p y C 所以2211y C y C y +=是方程(2)的解.定理1说明齐次线性方程的解具有叠加性.叠加起来的解从形式看含有21,C C 两个任意常数,但它不一定是方程式(2)的通解.2.线性相关、线性无关的概念设,,,,21n y y y 为定义在区间I 内的n 个函数,若存在不全为零的常数,,,,21n k k k 使得当在该区间内有02211≡+++n n y k y k y k , 则称这n个函数在区间I 内线性相关,否则称线性无关.例如 x x 22sin ,cos ,1在实数范围内是线性相关的,因为0sin cos 122≡--x x又如2,,1x x 在任何区间(a,b)内是线性无关的,因为在该区间内要使 02321≡++x k x k k必须0321===k k k .对两个函数的情形,若=21y y 常数, 则1y ,2y 线性相关,若≠21y y 常数, 则1y ,2y 线性无关.3.二阶常系数齐次微分方程的解法定理 2 如果1y 与2y 是方程式(2)的两个线性无关的特解,则212211,(C C y C y C y +=为任意常数)是方程式(2)的通解.例如, 0=+''y y 是二阶齐次线性方程,x y x y cos ,sin 21==是它的两个解,且≠=x y y tan 21常数,即1y ,2y 线性无关, 所以 x C x C y C y C y cos sin 212211+=+=( 21,C C 是任意常数)是方程0=+''y y 的通解.由于指数函数rxe y =(r 为常数)和它的各阶导数都只差一个常数因子,根据指数函数的这个特点,我们用rx e y =来试着看能否选取适当的常数r ,使rx e y =满足方程(2).将rxe y =求导,得 rx rx e r y re y 2,=''='把y y y ''',,代入方程(2),得0)(2=++rx eq pr r 因为0≠rx e , 所以只有 02=++q pr r (3)只要r 满足方程式(3),rx e y =就是方程式(2)的解.我们把方程式(3)叫做方程式(2)的特征方程,特征方程是一个代数方程,其中r r ,2的系数及常数项恰好依次是方程(2)y y y ,,'''的系数. 特征方程(3)的两个根为 2422,1q p p r -±-=, 因此方程式(2)的通解有下列三种不同的情形. (1) 当042>-q p 时，21,r r 是两个不相等的实根. 2421q p p r -+-=,2422q p p r ---= x r x r e y e y 2121,==是方程(2)的两个特解,并且≠=-x r r e y y )(2121常数,即1y 与2y 线性无关.根据定理2,得方程(2)的通解为 x r x r e C e C y 2121+=(2) 当042=-q p 时, 21,r r 是两个相等的实根. 221p r r -==,这时只能得到方程(2)的一个特解x r e y 11=,还需求出另一个解2y ,且≠12y y 常数,设)(12x u y y =, 即 )(12x u e y x r =)2(),(21121211u r u r u e y u r u e y x r x r +'+''=''+'='.将222,,y y y '''代入方程(2), 得 []0)()2(12111=++'++'+''qu u r u p u r u r u e x r 整理,得0])()2([12111=+++'++''u q pr r u p r u e x r由于01≠x r e , 所以 0)()2(1211=+++'++''u q pr r u p r u 因为1r 是特征方程(3)的二重根, 所以02,01121=+=++p r q pr r从而有 0=''u因为我们只需一个不为常数的解,不妨取x u =,可得到方程(2)的另一个解 x r xe y 12=.那么,方程(2)的通解为x r x r xe C e C y 1121+=即 xr e x C C y 1)(21+=.(3) 当042<-q p 时,特征方程(3)有一对共轭复根 βαβαi r i r -=+=21, (0≠β)于是 x i x i e y ey )(2)(1,βαβα-+== 利用欧拉公式 x i x e ix sin cos +=把21,y y 改写为)sin (cos )(1x i x e e e e y x x i x x i ββαβαβα+=⋅==+)sin (cos )(2x i x e e e e y x x i x xi ββαβαβα-=⋅==-- 21,y y 之间成共轭关系,取-1y =x e y y x βαcos )(2121=+,x e y y iy x βαsin )(2121_2=-= 方程(2)的解具有叠加性,所以-1y ,-2y 还是方程(2)的解,并且≠==--x xe x e y y x x βββααtan cos sin 12常数,所以方程(2)的通解为 )sin cos (21x C x C e y x ββα+=综上所述,求二阶常系数线性齐次方程通解的步骤如下:(1)写出方程(2)的特征方程02=++q pr r(2)求特征方程的两个根21,r r(3)根据21,r r 的不同情形,按下表写出方程(2)的通解.例1求方程052=+'+''y y y 的通解.解: 所给方程的特征方程为0522=++r ri r i r 21,2121--=+-=所求通解为 )2sin 2cos (21x C x C e y x +=-.例 2 求方程0222=++S dt dS dtS d 满足初始条件2,400-='===t t S S 的特解.解 所给方程的特征方程为0122=++r r121-==r r通解为 t e t C C S -+=)(21 将初始条件40==t S 代入,得 41=C ,于是t e t C S -+=)4(2,对其求导得te t C C S ---=')4(22 将初始条件20-='=t S 代入上式,得 22=C所求特解为t e t S -+=)24(例3求方程032=-'+''y y y 的通解.解 所给方程的特征方程为 0322=-+r r其根为 1,321=-=r r所以原方程的通解为 x x e C e C y 231+=-二、二阶常系数非齐次方程的解法1.解的结构定理3 设*y 是方程(1)的一个特解,Y 是式(1)所对应的齐次方程式(2)的通解,则*+=y Y y 是方程式(1)的通解.证明 把*+=y Y y 代入方程(1)的左端:)()()(*++*'+'+*''+''y Y q y Y p y Y=)()(*+*'+*''++'+''qy py y qY Y p Y=)()(0x f x f =+*+=y Y y 使方程(1)的两端恒等,所以*+=y Y y 是方程(1)的解. 定理4 设二阶非齐次线性方程(1)的右端)(x f 是几个函数之和,如 )()(21x f x f qy y p y +=+'+'' (4) 而*1y 与*2y 分别是方程 )(1x f qy y p y =+'+''与 )(2x f qy y p y =+'+''的特解,那么**+21y y 就是方程(4)的特解, 非齐次线性方程(1)的特解有时可用上述定理来帮助求出.2.)()(x P e x f m x λ=型的解法 )()(x P e x f m x λ=,其中λ为常数,)(x P m 是关于x 的一个m 次多项式. 方程(1)的右端)(x f 是多项式)(x P m 与指数函数x e λ乘积的导数仍为同一类型函数,因此方程(1)的特解可能为x e x Q y λ)(=*,其中)(x Q 是某个多项式函数.把 x e x Q y λ)(=*x e x Q x Q y λλ)]()(['+=*'x e x Q x Q x Q y λλλ)]()(2)([2''+'+=*''代入方程(1)并消去xe λ,得)()()()()2()(2x P x Q q p x Q p x Q m =+++'++''λλλ (5) 以下分三种不同的情形,分别讨论函数)(x Q 的确定方法:(1) 若λ不是方程式(2)的特征方程02=++q pr r 的根, 即02≠++q p λλ,要使式(5)的两端恒等,可令)(x Q 为另一个m 次多项式)(x Q m :m m m x b x b x b b x Q ++++= 2210)(代入(5)式,并比较两端关于x 同次幂的系数,就得到关于未知数m b b b ,,,10 的1+m 个方程.联立解方程组可以确定出),,1,0(m i b i =.从而得到所求方程的特解为x m e x Q y λ)(=*(2) 若λ是特征方程02=++q pr r 的单根, 即02,02≠+=++p q p λλλ,要使式(5)成立, 则)(x Q '必须要是m 次多项式函数,于是令)()(x xQ x Q m =用同样的方法来确定)(x Q m 的系数),,1,0(m i b i =.(3) 若λ是特征方程02=++q pr r 的重根,即,02=++q p λλ 02=+p λ.要使(5)式成立,则)(x Q ''必须是一个m 次多项式，可令)()(2x Q x x Q m =用同样的方法来确定)(x Q m 的系数.综上所述,若方程式(1)中的x m e x P x f λ)()(=,则式(1)的特解为x m k e x Q x y λ)(=*其中)(x Q m 是与)(x P m 同次多项式,k 按λ不是特征方程的根,是特征方程的单根或是特征方程的重根依次取0,1或2.例4 求方程x e y y 232-='+''的一个特解.解 )(x f 是x m e x p λ)(型, 且2,3)(-==λx P m对应齐次方程的特征方程为 022=+r r ,特征根根为2,021-==r r . λ=-2是特征方程的单根, 令x e xb y 20-=*,代入原方程解得230-=b 故所求特解为 x xe y 223--=* . 例5 求方程x e x y y )1(2-='-''的通解.解 先求对应齐次方程02=+'-''y y y 的通解.特征方程为 0122=+-r r , 121==r r齐次方程的通解为 x e x C C Y )(21+=.再求所给方程的特解1)(,1-==x x P m λ由于1=λ是特征方程的二重根,所以 x e b ax x y )(2+=*把它代入所给方程,并约去xe 得 126-=+x b ax比较系数,得61=a 21-=b 于是 x e x x y )216(2-=* 所给方程的通解为 x e x x x C C y y y )6121(3221+-+=+=* 3.x B x A x f ϖϖsin cos )(+=型的解法,sin cos )(x B x A x f ωω+=其中A 、B 、ω均为常数.此时,方程式(1)成为x B x A q y p y ωωsin cos +=+'+'' (7)这种类型的三角函数的导数,仍属同一类型,因此方程式(7)的特解*y 也应属同一类型,可以证明式(7)的特解形式为)sin cos (x b x a x y k ωω+=*其中b a ,为待定常数.k 为一个整数.当ω±i 不是特征方程02=++q pr r 的根, k 取0;当ω±i 不是特征方程02=++q pr r 的根, k 取1;例6 求方程x y y y sin 432=-'+''的一个特解.解 1=ω，ω±i i ±=不是特征方程为0322=-+r r 的根，0=k .因此原方程的特解形式为x b x a y sin cos +=* 于是 x b x a y cos sin +-=*'x b x a y sin cos --=*''将*''*'*y y y ,,代入原方程，得⎩⎨⎧=--=+-442024b a b a 解得 54,52-=-=b a 原方程的特解为: x x y sin 54cos 52--=* 例7 求方程x e y y y x sin 32+=-'-''的通解.解 先求对应的齐次方程的通解Y .对应的齐次方程的特征方程为0322=--r r3,121=-=r rx x e C e C Y 321+=-再求非齐次方程的一个特解*y .由于x e x x f -+=2cos 5)(,根据定理4,分别求出方程对应的右端项为,)(1x e x f =x x f sin )(2=的特解*1y 、*2y ,则 **+=*21y y y 是原方程的一个特解.由于1=λ,ω±i i ±=均不是特征方程的根,故特解为)sin cos (21x c x b ae y y y x ++=+=*** 代入原方程,得x e x c b x c b ae x x sin sin )42(cos )24(4=-++--比较系数,得14=-a 024=+c b 142=-c b解之得 51,101,41-==-=c b a . 于是所给方程的一个特解为 x x e y x sin 51cos 10141-+-=* 所以所求方程的通解为x x e e C e C y Y y x x x sin 51cos 10141321-+-+=+=-*.。