微分方程幂级数解法
高阶微分方程的降阶和幂级数解法
3 已知齐线性方程的非零特解,进行降阶
(1) 设x x1 0是二阶齐线性方程
d 2x p(t) dx q(t)x 0,
dt 2
dt
的非零解
(4.69)
令 x x1 y 则 x' x1 y' x1' y
代入(4.69)得
x'' x1 y'' 2x1' y' x1'' y
x1 y'' [2x1' p(t)x1]y' [x1'' p(t)x1' q(t)x1]y 0
k 1, 2,
若取
a0
1 2n (n
1)
则可得(4.74)的另一个特解
y2
(1)k
k 0
1 k !(n
k
1)
( x)2kn 2
Jn (x),
(4.78)
Jn (x)是由Bessel方程(4.74)定义的特殊函数, 称
为-n阶Bessel函数.
由达朗贝尔判别法,对任x值(4.77),(4.78)收敛.
k 0
k 0
(x2 n2 ) ak xk 0 k 0
比较x的同次幂系数得
a0 ( 2 n2 ) 0
a1[( 1)2 n2 ] 0
(4.76)
ak [( k)2 n2 ] ak2 0, k 2, 3,
因为a0 0, 则有 2 n2 0, 从而 n,
为确定起见暂令 n, 由(4.76)得
ui
( zi )', i zk 1
1, 2,
,k 2
以上做法一直下去,可降低n - k阶.
(4.68)
高等数学(四)12-函数的幂级数展开式的应用-微分方程的幂级数解法、欧拉公式
n
n!
绝对收敛,
因此级数 1 zn 在整个复平面上是绝对收敛的.
n0 n! ez
1 xn ex
n0 n!
定义 ez 1 z 1 z2 1 zn
2!
n!
当 x 0 时， z 为纯虚数 yi ，
( z )
e yi 1 yi 1 ( yi)2 1 ( yi)3 1 ( yi)n
n2
n2
2a2
3
2a3 x
(4
3a4
1)x 2
(5
4a
a
)x 3
5
2
(6 5a a )x4 63
(n 2)(n 1)an2 an1 xn+
0. y xy 0
a2 0 , a3 0 , a4
1 43
,
a5
0
,
a6
0
,
,
一般地
an 2
(n
an1 2)(n
1)
(n 3, 4,
un
u2 n
vn2
,
vn
u2 n
vn2
(
n 1, 2,
)
则级数 un 、 vn 绝对收敛，
n1
n1
从而级数 (un vni) 绝对收敛.
n1
复数项级数 1 z 1 z2 1 zn (z x yi) ,
2!
n!
1
x2 y2 1
x2 y2
2
2!
1
x2 y2
2!
3!
n!
1 yi 1 y2 1 y3i 1 y4 1 y5i 2 3! 4! 5!
(1 1 y2 1 y4 ) (y 1 y3 1 y5 )i
第三节高阶方程的降阶和幂级数解法
5
4
内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾 制作
一、可降阶的一些方程类型
2、方程不显含自变量 t 的方程，可引进变换把原方程降一阶为 n-1 阶方程。 、 的方程， 阶方程。
实质： 并以它为新的未知函数，而视x为新的 实质：若令 x′ = y ，并以它为新的未知函数，而视 为新的 自变量，此时方程可降一阶。事实上， 自变量，此时方程可降一阶。事实上，有
d nx d n−1x dx + a1 (t) n−1 +⋯+ an−1 (t) + an (t)x = 0 (4.2) n dt dt dt
分析：求 n 阶齐线性方程（4.2）无普遍方法，这与常系数方程的 阶齐线性方程（ ）无普遍方法， 分析： 求解有着很大的区别，但是通过分析知道，如果有一个非零特解， 求解有着很大的区别，但是通过分析知道，如果有一个非零特解， 则利用变换，可将方程降低一阶 如果知道 个线性无关的特解， 则利用变换，可将方程降低一阶;如果知道 k 个线性无关的特解， 则通过一系列同类项的变换， 阶方程， 则通过一系列同类项的变换，使方程降低 k 阶，并得到 n-k 阶方程， 也是齐线性的。 也是齐线性的。
于是有
y = x + x + 2! x + ⋯ + n! x
2 3
n +1
+⋯
都是发散的， 此级数对任何 x ≠ 0 都是发散的，故，所给问题没有形如假设 形式的级数解。 形式的级数解。
内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾 制作
注意：并不是所有的微分方程的解都能表示成 的幂级数形式 的幂级数形式， 注意：并不是所有的微分方程的解都能表示成x的幂级数形式， 它们或者因为级数的系数无法确定，或者因为所得级数不收敛。 它们或者因为级数的系数无法确定，或者因为所得级数不收敛。 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？ 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？ 级数的形式如何？其收敛区间如何？等等这些问题， 级数的形式如何？其收敛区间如何？等等这些问题，在微分方 程解析理论中有完满的解答，在此不作介绍。 程解析理论中有完满的解答，在此不作介绍。可参阅叶彦谦翻 译的《高等数学教程》第三卷第三分册第五章。 译的《高等数学教程》第三卷第三分册第五章。这里只提一下 Bessel方程和 方程和Bessel函数。 函数。 方程和 函数
求解微分方程的常用方法
求解微分方程的常用方法微分方程是数学的一个重要领域，在各个科学领域中都有着广泛的应用。
求解微分方程是解决实际问题的重要方法之一。
本文将介绍一些求解微分方程的常用方法。
一、解析解法解析解法是指用变量分离、母函数法、变量代换等方法，将微分方程转化为一些已知函数的方程，从而求得方程的解。
变量分离法是一种常见的解析解法。
对于形如y'=f(x)g(y)的微分方程，可以将其变为dy/g(y)=f(x)dx的形式，进而通过积分得到y的解。
母函数法是将微分方程变成一个恒等式的形式，从而求出微分方程的通解。
变量代换法则是通过适当的变量代换，使微分方程变为已知形式的微分方程，进而求出其解。
二、初值问题法初值问题法通常用于求解一阶微分方程的初值问题。
该方法的基本思路是先求得微分方程的通解，然后利用给定的初始条件（即初值），确定通解中的任意常数，从而得到特解。
三、数值解法数值解法是指将微分方程转化为一个差分方程，利用数值方法求得近似解。
数值解法的基本思路是将区间分为若干小段，然后在每一小段上通过近似计算求得微分方程的解。
常用的数值方法包括欧拉法、梯形法、龙格-库塔法等。
这些方法的特点是简单易实现，但对于复杂的微分方程而言，计算量较大，精度也有限。
四、级数解法级数解法是将微分方程的解表示为幂级数的形式，从而求解微分方程。
这种方法的思路是假设微分方程的解为幂级数的形式，然后代入微分方程得到一组关于幂级数系数的递推公式，进而求得幂级数的系数，并由此得出微分方程的解。
五、特殊函数解法特殊函数解法是指利用已知的特殊函数求解微分方程。
一些常见的特殊函数包括贝塞尔函数、连带勒让德函数、超几何函数等。
这些特殊函数有着特殊的性质，可以用于求解某些类型的微分方程。
例如，我们可以用贝塞尔函数求解振动问题中的一些微分方程。
六、变分法变分法是一种通过变分原理，求解微分方程的方法。
变分法需要通过变分原理，利用根据函数微小变化的变分量所对应的增量来导出微分方程的一些重要性质。
电子课件 [数学物理方法与仿真(第3版)][杨华军][电子教案(PPT版本)]chapter13
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(l 2m) a1
将它们代入解的表达式中，得到勒让德方程解的形式
y(x)
a0[1
l(l 1) 2!
x2
l(l
2)(l 1)(l 4!
3)
x4
]
a1[ x
(l
1)(l 3!
2)
x3
(l
1)(l
3)(l 5!
2)(l
4)
x5
=pl (x) ql (x)
] (13.1.7)
其中 pl (x) ， ql (x) 分别是偶次项和奇次项组成的级数，当 l 不是整数 时， pl (x) ， ql (x) 都是无穷级数，容易求得其收敛半径均为 1，而且
关于线性二阶常微分方程在常点邻域上的级数解，有 下面的定理．
定理 13.1.1 若方程（13.1.1）的系数 p(z) 和 q(z) 为点 z0 的
邻域 z z0 R 中的解析函数，则方程在这圆中存在唯一的
解析解w(z) 满足初始条件w (z0 ) C0 ，w(z0 ) C1 ，其中 C0 、
(即要求在有界解的情况下)求解，则勒让德方程的解 只有第一类勒让德函数即勒让德多项式 Pn (x) ．因为第
二类勒让德函数 Qn (x) 在闭区间[1,1] 上是无界的．
13.1.3 奇点邻域的级数解法：贝塞尔方程的求解
前一章分离变量法中，我们引出了贝塞尔方程，本节
我们来讨论这个方程的幂级数解法．按惯例，仍以 x
C1 是任意给定的复常数．
15．1．2 常点邻域上的幂级数解法 勒让德方程的求解
（注明：推导解的过程仅供了解求解的方法，读者可直接参考其结论）
由分离变量法得到了勒让德方程，下面讨论在 x0 0 邻域上求解 l 阶勒让德方程
微分方程的幂级数解法
dy 例如 = x2 + y2, dx
解不能用初等函数或其积分式表达. 寻求近似解法: 幂级数解法; 卡比逐次逼近法; 数值解法.
dy = f ( x, y) 特解求法 二、 dx
dy 问题 求 = f ( x , y ) 满足 y dx
x = x0
∞
n
∞
n −1
∞
n= 0
n=0
n [( n + 2 )( n + 1 ) a − ( n + 1 ) a ] x ≡ 0, ∑ n+ 2 n n=0
a n+ 2
an = , n+ 2
n = 0,1,2,L
a0 a0 a2 = , a4 = , 8 2
a1 a3 = , 3 a1 a5 = , 15
∴ 方程组通解为
x = α 3C1e − αt − α 3C 2e αt − β 3C 3 cos β t 3 t C sin t 2 e + β β − 4 − αt αt t y C e C e C cos t C sin t e = + + β + β + 1 2 3 4
(n) ( n −1 ) y + a y + L + a n −1 y ′ + a n y = f ( x ) 例如， 1
用记号 D 可表示为
( D + a1 D
n
n −1
+ L + a n −1 D + a n ) y = f ( x )
注意:
D n + a1 D n−1 + L + a n−1 D + a n 是 D 的多项式
高数-微分方程总结
3
(3) 一阶线性微分方程
形如 dy P( x) y Q( x) dx
当Q( x) 0,
上方程称为齐次的．
当Q(x) 0,
上方程称为非齐次的.
解法 齐次方程的通解为 y Ce P( x)dx .
（使用分离变量法）
4
非齐次微分方程的通解为
y [ Q( x)e P( x)dxdx C ]e P( x)dx
y x
C x2
,
所求通解为 xy cos y C . x
23
4
例2 求通解 xy 2 y 3 x3 y3 .
解
原式可化为
y
2
y
3x2
4
y3,
伯努利方程
x
即
4
y3
y
2
1
y3
3x2,
x
令
z
1
y 3,
原式变为 3z 2 z 3x2 ,
x
即 z 2 z x2 , 一阶线性非齐方程 3x
2
(1) f ( x) ex Pm ( x) 型
0 不是根 设 y x kexQm ( x) , k 1 是单根 ,
2 是重根
18
(2) f ( x) ex[Pl ( x)cosx Pn( x)sinx] 型
设
y
x
k
e
x
[
R(1) m
(
x
)
cosx
R(2 m
)
(
x
)
sin
x
],
其中
R(1) m
对应的齐次方程的通解为 Y (C1 C2 x)e x . 设原方程的特解为 y* x2(ax b)e x , 则 ( y* ) [ax3 (3a b) x2 2bx]e x , ( y* ) [ax3 (6a b)x2 (6a 4b)x 2b]e x ,
12.微分方程的幂级数解法
a1 + 2a2 x + 3a3 x + 4a4 x +
2 3
= x + (a1 x + a2 x 2 + a3 x 3 + a4 x 4 + )2
2 2 = x + a1 x 2 + 2a1a2 x 3 + (a2 + 2a1a3 ) x 4 +
比较恒等式两端x的同次幂的系数 比较恒等式两端 的同次幂的系数, 得 的同次幂的系数
dy 问题 求 = f ( x , y ) 满足 y dx
x = x0
= y0 的特解 .
其中 f ( x , y ) = a 00 + a10 ( x x 0 ) + a 01 ( y y0 ) + + a lm ( x x0 ) l ( y y0 ) m .
y = y 0 + a1 ( x x 0 ) + a 2 ( x x 0 ) 2 +
变 阶
分离变量法 全微分方程 变 法
分
非 变 量 可 分 离
非 全 微 分 方 程
阶方程
方程法 解法 法
思考题
什么情况下采用"幂级数"解法求解 什么情况下采用"幂级数" 微分方程? 微分方程?
思考题解答
当微分方程的解不能用初等函数或其积分 表达时, 常用幂级数解法. 表达时, 常用幂级数解法.
�
∞
∞
′ = ∑ na n x n1 , 则y
n= 0
n= 0
y ′′ = ∑ n( n 1)a n x
n =1
幂级数解方程(偏微分方程)
1 l (l 1)(1 ) 1 1 k 1 2 k k 4 2 l (l 1) 2 k k
…………….
a2 k (2k 2 l )(2k 4 l )(2 l )( l )(l 1)(l 3)(l 2k 1) a0 (2k )!
(1 l )(l 2) a3 a1 3!
(3 l )(l 4) (3 l )(1 l )(l 2)(l 4) a5 a3 a1 5 4 5!
代入勒让德方程，可得：
(1 x ) k (k 1)ak x
2 k 2
k 2
2 x kak x
k 1
k 1
l (l 1) ak x 0
k k 0
合并整理后可得：
k (k 1)ak x k k (k 1)ak x k 2 2kak x k
为 m 贝塞尔方程，不可直接求解
(2) 若 μ<0 ，作变换
2 2
k 2 , x k
d R dR x x x 2 m2 R 0 2 dx dx
为虚宗量贝塞尔方程，不可直接求解
…………………………..
用球坐标系和柱坐标系对拉普拉斯方程、波 动方程、输运方程进行变量分离，就出现连带勒让 德方程、勒让德方程、贝塞尔方程、球贝塞尔方程
等特殊函数方程。用其他坐标系对其他数学物理偏
微分方程进行分离变量，还会出现各种各样的特殊 函数方程，它们大多是二阶线性常微分方程。这向 我们提出求解带初始条件的线性二阶常微分方程定 解问题。 不失一般性，我们讨论复变函数ω(z)的
一般非线性微分方程的解法及应用
一般非线性微分方程的解法及应用非线性微分方程（Nonlinear Differential Equations）是微积分中的重要课题。
与线性微分方程不同，非线性微分方程由于其非线性性质，无法被直接解出。
在此篇文章中，我们将会讨论一般非线性微分方程的解法和应用。
一、解法1.变系数法变系数法（变参法）是一种基于给出非线性微分方程（NDE）通解，并利用边界条件解出一般解的方法。
现在，我们尝试用变系数法解决以y为未知函数y''+p(x)y'+q(x)y=g(x)的非线性微分方程。
步骤如下：(1) 先解出对应的线性齐次方程y''+p(x)y'+q(x)y=0的通解，例如:$$y=c_1y_1+c_2y_2$$（其中c1和c2是常数，y1和y2是两个线性无关的特解）(2) 在此基础上拟定向非线性微分方程g(x)所对应的一个特解y0(x)，(3) 将此特解代入非齐次微分方程中，得到特殊解y(x)，即为非线性微分方程的解。
例如：设通解为y=c1y1+c2y2, 特解为y0,带入方程得到:y'' + p(x)y'+ q(x)y = g(x)y0'' + p(x)y0' + q(x)y0 = g(x) - y1''-p(x)y1'-q(x)y1由于y1是齐次方程的解，所以原方程可以化为齐次的：y'' + p(x)y' + q(x)y = 0利用常数变易法，可将y0解出。
则该微分方程的最终通解为y=c1y1+c2y2+y02. 可积的非线性微分方程可积的非线性微分方程是一种特殊的非线性微分方程，可以通过直接积分或某些变换使其解出。
例如：y'+a(x)y+b(x)y^3=0若a(x)和b(x)是连续的函数，则该微分方程为可积的。
可将该方程变形为1/2d/dx(y^2)+a(x)y^2=0则原微分方程的解为：$$y(x)=\sqrt{\frac{-2\int a(x)dx+c}{b(x)}}$$（其中c是常数，与初始条件有关）3.级数法级数法（常微分方程级数解）是利用幂级数解法求解非线性微分方程的方法。
数学物理方法_第3章 二阶线性常微分方程的幂级数解法本征值问题
y ( x) 2 1a2 3 2a3 x (k 2)( k 1)ak 2 x k
把以上结果代入方程，比较系 数得 2 2
2 1a2 a0 0, 3 2a3 a1 0, 4 3a4 2 a2 0, 5 4a5 2 a3 0,
(2k 1)!
a1.
于是方程的级数解为
1 1 1 y( x) a0 1 ( x)2 ( x) 4 (1) k ( x) 2 k 4! (2k )! 2! 2 k 1 a1 1 1 3 5 k ( x) x ( x) ( x) (1) 3! 5! (2k 1)! a a0 cos x 1 sin x.
n 1
n 1
cn1 (n 1)( x x0 )n ,
n 0
可将式（3.1.4）写成
c
n 0 n n
n ( n 2)( n 1)( x x ) [ ( k 1) a c ]( x x ) n2 0 n k k 1 0 n n 0 k 0
y( x) an x n
n 0
(3.3.2)
于是
y( x) nan x
n 1 n 1
(k 1)ak 1 x k ,
k 0
y( x) n(n 1)an x
n2
2 k 0
n2
(k 2)(k 1)ak 2 x k ,
(1 l )(l 2) 3 (3 l )(1 l )(l 2)(l 4) 5 y1 ( x) x x x 3! 5! (2k 1 l )(2k 3 l ) (1 l )(l 2)(l 4) (l 2k ) 2k 1 x (2k 1)!
幂级数解法
幂级数解法幂级数解法是求解微分方程的一种技术，它可用于求解普通微分方程的无穷多解，也可用于求解常微分方程的特解，以及线性微分方程的非独立解。
因此，在研究微分方程的求解过程中，对“幂级数解法”的研究具有重要的实际意义。
一、幂级数的概念幂级数是由不同幂次的可积函数的和所组成的级数，可以表示为： $$sum_{k=0}^{infty}a_{k}x^{k}$$其中，$a_{k}$叫做幂级数的系数，$x$叫做幂级数的变量，$k$叫做幂级数的项次，$infty$叫做幂级数的项数。
幂级数不仅可用于数学上的应用，也可用于物理学上的应用，像振动波、涡旋波、周期性复原函数等物理概念都可以用幂级数来表示。
二、幂级数解法的内容1.入一类特殊的线性微分方程：$$y^{(n)}+p_{n-1}(x)y^{(n-1)}+cdots+p_{1}(x)y+p_{0}(x)y=Q(x)$$式中，$y^{(n)}$表示微分方程的最高次导数，$p_{n-1}(x)$，$cdots$，$p_{1}(x)$，$p_{0}(x)$表示微分方程的n-1次，$cdots$，1次，0次项的系数函数，$Q(x)$表示微分方程右端项的函数。
2.先检查保守性，判断微分方程是否具有定常解。
微分方程具有定常解的充要条件是$p_{n-1}(x)=p_{n-2}(x)=cdots=p_{2}(x)=0$，此时微分方程可以化简为：$$y^{(n)}+p_{1}(x)y+p_{0}(x)y=Q(x)$$无论$p_{1}(x)$、$p_{0}(x)$是否全等于0，都可以说明它具有定常解。
3.后利用相关定理，在特定条件下构造一个“幂级数解”，其形式为：$$y=sum_{k=0}^{infty}c_{k}x^k$$其中$c_{k}$是待求的系数，由解法的特殊条件所确定。
4.所得“幂级数解”代入微分方程，并根据其定义，求出$c_{0}$，$c_{1}$，$c_{2}$，$cdots$，$c_{n-1}$的值，即求出微分方程的解的系数。
幂级数的应用
降低感染率手段 引流的时间：1周内,最长≤2周。 引流管引出口：不能在原切口处直接引出,因在头皮下潜行约1～2cm后在原切口旁引出,防止细菌逆行感染。 引流瓶放置高度：适当,避免脑脊液倒流回脑内增加感染可能。 引流管冲洗：适时可用庆大霉素稀释液冲洗引流管, 不冲洗脑内段。操作要得当。 拔管时关闭引流管阀门,拔除后及时缝合拔管处头皮。
降低感染率手段 为减少切口脑脊液漏。术中应尽可能修补硬脑膜,关闭死腔,术中尽可能减少头皮止血。 为减少耳漏和鼻漏。术中发现打开额窦和乳突后立即用消毒液浸泡的棉球消毒窦璧黏膜并向内推开黏膜层,随后用骨蜡完全封闭窦口或乳突气房,更换与窦璧接触的手术器械。
是否污染手术？手术时间>4h？应用手术显微镜？二次手术？ 是则明显增加颅内感染率。
是否为后颅窝手术？ 手术体位复杂。 开颅时间长。 手术显微镜辅助。 术区蛛网膜易粘连,后颅窝手术一般不缝合硬脑膜。 肌肉和头皮间缝合不严,易形成储液囊腔,致脑脊液循环障碍,为细菌繁殖提供机会。 可能打开乳突气房。 故而术后颅内感染几率显著较高。
降低感染率手段 后颅窝关颅时肌层和头皮要求严格缝合,肌层紧贴硬膜,引流管保持通畅。 当切口脑脊液漏时,应在无菌条件下严密缝合。
降低感染率手段 开放性颅脑损伤需早期彻底清除坏死脑组织,清除脑组织内的碎骨片和异物,关闭硬脑膜和头皮伤口,将开放性的污染伤口变为清洁的闭合伤。 术中受污染部位的手术区域需彻底消毒;接触污染区域后的手术器械与清洁区域的器械需分开。关颅前常规用大量生理盐水冲洗。 尽量缩短手术时间。 严格按照规范使用显微镜。 二次手术打开硬脑膜前可用稀释的聚维酮碘冲洗术野。
是否存在脑脊液漏？ 可分为切口的脑脊液漏和脑脊液鼻漏、耳漏。
颅脑损伤常见的并发症, 据文献报道, 其发病率在2 %～9 % , 需手术治疗者占2.4 %。 颅脑损伤后, 颅底骨折伴有硬脑膜及蛛网膜同时破裂,脑脊液通过损伤的鼻窦或岩骨经鼻或耳流出, 即形成脑脊液鼻漏及耳漏。 漏的时间越长, 感染机会越大。
第十二章微分方程(二)
二、 高阶微分方程1．高阶微分方程的定义：'''()(,,,,)0n F x y y y =2．可降阶的高阶微分方程类型及解法 可降阶的高阶微分方程有三种类型： （1）()()n y f x = 解法：逐次积分（2）),(y x f y '='' 特点：不显含y 的方程解法：设p y ='，则p y '=''，代入方程中得),(p x f p ='。
已降为一阶。
（2）),(y y f y '='' 特点：显含x 的方程 解法：设p y ='，则dydp p dx dy dy dp y =⋅='' 代入方程中得),(p y f dydpp=，已降为一阶。
【例1】求微分方程(1)ln (1)x y y x '''++=+的通解.解：由于不显含y ，令()y p x '=，则y p '''=，代入原方程得(1)ln(1)x p p x '++=+ 即 l n (1)11p x p x x+'+=++ 为一阶线性微分方程 利用公式得11ln(1)ln(1)111111ln(1)ln(1)()()111(ln(1))ln(1)111dxdx x x x x x x p e e dx C e e dx C x x C x dx C x x x--++++++⎰⎰=+=+++=++=+-+++⎰⎰⎰即 1l n (1)11Cy x x'=+-++ 积分得 12()ln(1)2y x C x x C =++-+ 【例2】求微分方程2()0y y y '''-=满足初始条件0011,2x x y y =='==的特解。
解：由于不显含x ，令()y p y '=，所以y pp '''=，代入原方程得 20y p pp '+=所以 0p = 或 0y pp '+= 当0yp p '+=时，此方程为可分离变量的方程，分离变量得dp dy p y=-积分得 1l n ||l n ||l n p y C =-+，所以， 1C p y =， 即 1Cy y'= 将0011,2x x y y =='==代入得112C =，从而 12y y'= 分离变量得 22y x C =+，将01x y ==代入得21C = 所求方程的特解为 21y x =+当0p =时，即0y '=，积分得y C =，特解为1y =，含在21y x =+内。
微分方程的基本解法
微分方程的基本解法及其应用微分方程是数学学科中的一个重要分支，主要研究函数及其导数之间的关系。
通过微分方程，我们可以描述许多自然现象的变化规律，如物体的运动、流体的流动、电路的分析等。
因此，掌握微分方程的解法对于解决实际问题具有重要意义。
一、微分方程的分类微分方程按照其含有的未知函数的最高阶导数的次数可以分为线性微分方程和非线性微分方程。
线性微分方程中的未知函数及其导数的次数都是一次，而非线性微分方程中至少有一个未知函数或其导数的次数是二次或更高。
二、微分方程的基本解法1. 分离变量法分离变量法是求解一阶线性微分方程的一种常用方法。
其基本思想是通过将方程中的未知函数和其导数分离到方程的两边，然后对方程进行积分，从而求出未知函数。
这种方法的优点是步骤简单，易于操作。
2. 变量代换法对于某些非线性微分方程，我们可以通过变量代换将其转化为线性微分方程，从而简化求解过程。
变量代换法的关键在于选择合适的代换变量，使得原方程在新的变量下呈现出线性关系。
3. 常数变易法常数变易法是一种求解一阶非齐次线性微分方程的方法。
其基本思想是将非齐次项看作一个已知的函数，然后将原方程转化为一个关于未知函数的线性微分方程。
这种方法的关键在于利用线性微分方程的叠加原理，将非齐次项的影响分离出来。
4. 积分因子法积分因子法是一种求解一阶线性微分方程的方法，特别适用于当方程中的系数不是常数而是关于x的函数时的情况。
其基本思想是通过引入一个积分因子，使得原方程的系数变为常数，从而简化求解过程。
积分因子的选择依赖于原方程的系数。
5. 特征线法（对于一阶偏微分方程）特征线法是一种求解一阶偏微分方程的方法。
它基于物理直觉，将偏微分方程视为描述某种物理过程的数学模型。
通过找到这些过程的“特征线”，即满足方程的一组曲线，我们可以简化问题并找到解。
6.幂级数法（对于高阶微分方程）幂级数法是一种求解高阶微分方程的方法，特别适用于当方程的解在某一点附近可以表示为一个幂级数时的情况。
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P( x)与Q( x)可在− R < x < R内展为x 的幂级数,
那么在− R < x < R内原方程必有形如
的解.
∞
∑ y = an xn n=0
∞
作法 设解为 y = ∑ an x n , n=0
将 P( x),Q( x), f ( x) 展开为 x − x0 的幂级数，
比较恒等式两端x的同次幂的系数, 确定y.
∑ ∞
∞
∑ (n + 2)(n + 1)an+2 x n− x ∑ nan x n−1−
∞
an xn
= 0,
n=0
n=0
n=0
∞
∑[(n + 2)(n + 1)an+2 − (n + 1)an ]x n ≡ 0,
n=0
an+2
=
an , n+2
n = 0,1,2,L
a2
=
a0 2
,
a3
=
a1 3
,
1、 y′ − xy − x = 1； 2、 xy′′ − ( x + m) y′ + my = 0.( m 为自然数 )
二、试用幂级数求下列方程满足所给初始条件的特解:
1、 y′
=
y2
+
x3
,
y x=0
=
1； 2
2、d 2 x dt 2
+
x cos t
=
0
,
x t=0
=
a
,
dx dt
t=0
=
0.
练习题答案
= =
3 2
y y
− −
2z, z.
(1) (2)
解 设法消去未知函数 y ， 由(2)式得
y
=
1 2
dz dx
+
z
(3)
两边求导得，
dy dx
=
1 2
d 2z dx2
+
dz dx
,
(4)
把(3), (4)代入(1)式并化简, 得
d 2z − 2 dz + z = 0 dx2 dx
+ a y(n−1) 1
+ L + an−1 y′ + an y =
f (x)
用记号D 可表示为
(Dn
+
a Dn−1 1
+
L+
an−1 D
+
an
)y
=
f (x)
注意:
Dn
+
a Dn−1 1
+L+
an−1 D
+
an
是D
的多项式
可进行相加和相乘的运算．
高阶方程
微分方程解题思路
作变换
分离变量法
积分因子
全微分方程
常数变易法
非非 变全 量微 可分 分方 离程
特征方程法
幂级数解法
待定系数法
思考题
什么情况下采用“幂级数”解法求解 微分方程？
思考题解答
当微分方程的解不能用初等函数或其积分 表达时, 常用幂级数解法.
练习题
一、试用幂级数求下列各微分方程的解:
x2
一、1、 y = Ce 2 + [−1 + x +
1
x3 +
1⋅ 3
L
+
1
⋅
3
⋅
5
x 2n−1 ⋅L⋅ (2n
−
1)
+
L]；
∑ 2、
y
=
C1e x
+
C2
m k=0
xk k!
.
二、1、 y = 1 + 1 x + 1 x2 + 1 x3 + 9 x4 + L； 2 4 8 16 32
2、 x = a(1 − 1 t 2 + 2 t 4 − 9 + 55 t 8 − L. 2! 4! 6! 8!
§13.8 微分方程的幂级数解法
一、问题的提出
例如 dy = x2 + y2 , dx
解不能用初等函数或其积分式表达. 寻求近似解法: 幂级数解法;
卡比逐次逼近法; 数值解法.
二、 dy = f (x, y) 特解求法 dx
问题
求 dy dx
=
f ( x, y) 满足
y
x= x0
=
y0 的特解.
其中 f ( x, y) = a00 + a10 ( x − x0 ) + a01 ( y − y0 ) + L + alm ( x − x0 )l ( y − y0 )m .
例2 求方程 y′′ − xy′ − y = 0的解.
∞
解 设方程的解为 y = ∑ an xn ,
∞
n=0
∑ 则 y′ = nan x n−1 ,
n=0
∞
∞
y′′ = ∑ n(n − 1)an xn−2= ∑ (n + 2)(n + 1)an+2 xn ,
n=1
n=0
将 y, y′, y′′ 带入 y′′ − xy′ − y = 0,
y = y0 + a1( x − x0 ) + a2 ( x − x0 )2 + L 其中 a1 , a2 ,L, an ,L为待定的系数.
例1
求 dy dx
=
x
+
y2
满足y
|x=0 =
0的特解 .
解 Q x0 = 0， y0 = 0,
设 y = a1 x + a2 x 2 + a3 x 3 + L + an x n + L,
比较恒等式两端x的同次幂的系数, 得
a1
= 0,
a2
= 1, 2
a3
= 0,
a4
= 0,
a5
=
1 , L, 20
所求解为 y = 1 x2 + 1 x5 + L. 2 20
小结: 无初始条件求解
∞
∑ 可设 y = C + an xn n=1
(C是任意常数)
三、二阶齐次线性方程幂级数求法
定理 如果方程 y′′ + P( x) y′ + Q( x) y = 0中的系数
y′ = a1 + 2a2 x1 + 3a3 x2 + L + nan xn−1 + L,
将 y, y′ 的幂级数展开式带入原方程
a1 + 2a2 x + 3a3 x2 + 4a4 x3 + L = x + (a1 x + a2 x2 + a3 x3 + a4 x4 + L)2
= x + a12 x2 + 2a1a2 x3 + (a22 + 2a1a3 ) x4 + L
§12.9 常系数线性微分方程组的解法
步骤:
１． 从方程组中消去一些未知函数及其各阶导 数，得到只含有一个未知函数的高阶常系数线性 微分方程．
２．解此高阶微分方程,求出满足该方程的未知 函数.
３．把已求得的函数带入原方程组,一般说来， 不必经过积分就可求出其余的未知函数．
例1
解微分方程组
dy ddxz dx
解之得通解 z = (C1 + C2 x)e x , (5)
再把(5)代入(3)式,
得
y=
1 2
(2C1
+
C2
+
2C2
x)e
x
.
(6)
原方程组的通解为
y
=
1 2
(2C1
+
C2
+
2C2
x )e
x
,
z = (C1 + C2 x)e x
用 D 表示对自变量 x求导的运算 d ,
dx
例如， y(n)
L a4
=
a0 8
,
L a5
=
a1 , 15
a2k
=
a0 k! 2k
,
a 2 k +1
=
a1 , (2k + 1)!!
原方程的通解
k = 1,2,3,L
∑ ∑ y
=
a0
∞ n=0
x2n 2n n!
+
a1
∞ n=0
x 2n+1 (2n + 1)!!
(a0 ,a1是任意常数)
四、小结
一阶方程
作降 变阶 换