(整理)常系数线性微分方程的解法
常系数线性微分方程的一般解法
如何将常系数线性微分方程与其他领域的知识进行交叉融 合，如人工智能、大数据等，是一个值得探索的方向。
复杂系统建模
随着对复杂系统的研究深入，如何建立更精确的数学模型 ，并求解这些模型，是未来研究的重要挑战。
应用拓展
随着科技的发展，常系数线性微分方程的应用领域也在不 断拓展，如何将其应用于新领域并解决实际问题，是一个 具有挑战性的任务。
二阶常系数线性微分方程
01
方程形式
y'' + p*y' + q*y = r
特征根法
根据特征方程的根的性质，将方程 化为标准形式，然后求解
03
02
解法
通过特征根法或公式法求解
公式法
根据特征方程的根，利用公式求解 通解
04
高阶常系数线性微分方程
方程形式
y(n) + a1*y(n-1) + a2*y(n-2) + ... + an*y = 0
是已知函数的线性组合。
齐次方程的解在求解非齐次方程时也经常用到，因为非齐次项
03
可以通过与齐次方程的解进行运算来消去。
非齐次方程的求解
01
非齐次方程是常系数线性微分 方程的一种常见形式，其解法 相对复杂。
02
非齐次方程的解可以通过常数 变易法或待定系数法求解，其 解的形式通常是已知函数的线 性组合加上一个特解。
常系数线性微分方程的一 般解法
• 引言 • 常系数线性微分方程的解法 • 举例说明 • 总结与展望
01
引言
微分方程的定义与重要性
微分方程是描述数学模型中变量之间 动态关系的数学工具，广泛应用于物 理、工程、经济等领域。
常系数线性微分方程组解法
dy (1) dx = 3 y 2 z , 例1 解微分方程组 dz = 2 y z . ( 2) dx 解 设法消去未知函数 y ， 由(2)式得 式得
1 dz y = + z ( 3) 2 dx dy 1 d 2 z dz = 2 + , 两边求导得， 两边求导得， dx 2 dx dx
原方程组的通解为
1 y = ( 2C1 + C 2 + 2C 2 x )e x 2 , z = ( C + C x )e x 1 2
d 用 D 表示对自变量 x求导的运算 , dx
例如， 例如， y
(n)
+ a1 y ( n 1 ) + L + a n 1 y ′ + a n y = f ( x )
类似解代数方程组消去一个未知数,消去 类似解代数方程组消去一个未知数 消去 x
(1) ( 2) × D :
x D3 y = et , ( D 4 + D 2 + 1) y = De t .
4 2 t
(３) ３ (４) ４ (５) ５
( 2) ( 3) × D :
即
( D + D + 1) y = e
二、常系数线性微分方程组的解法
步骤: 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． 微分方程． ２．解此高阶微分方程,求出满足该方程的未知 解此高阶微分方程, 函数. 函数. ３．把已求得的函数带入原方程组,一般说来， 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． 不必经过积分就可求出其余的未知函数．
代入(1)式并化简 把(3), (4)代入 式并化简 得 代入 式并化简,
微分方程中的常系数齐次线性方程求解
微分方程中的常系数齐次线性方程求解在微积分学中，常系数齐次线性方程是一类常见的微分方程。
它们的解可以通过一定的方法得到。
在本文中，我们将介绍如何求解常系数齐次线性方程。
一、什么是常系数齐次线性方程常系数齐次线性方程是指形如y″+ay′+by=0的微分方程，其中a和b为常数。
它们的特点是方程中的未知函数及其导数的系数都是常数。
二、求解常系数齐次线性方程的方法1. 特征方程法特征方程法是求解常系数齐次线性方程的一种常用方法。
具体步骤如下：（1）写出微分方程的特征方程，特征方程就是对应的代数方程。
对于y″+ay′+by=0，其特征方程为r²+ar+b=0。
（2）解特征方程，求得特征根。
设特征根为r₁和r₂，则特征方程的解为r₁和r₂。
根的个数和重根的情况会影响方程的解形式。
（3）根据特征根求解原方程的解。
当r₁和r₂为不同的实根时，原方程的通解可以表示为y=C₁e^(r₁x)+C₂e^(r₂x)，其中C₁和C₂为常数。
当r₁和r₂为不同的复数根时，通解可以表示为y=e^(αx)(C₁cos(βx)+C₂sin(βx))，其中α为实部，β为虚部。
2. 代入法代入法也是一种常用的求解常系数齐次线性方程的方法。
具体步骤如下：（1）设定未知函数的形式。
根据方程的阶数，设定未知函数的形式，如y=e^(mx)。
（2）将未知函数及其导数带入微分方程，消去常数，得到相应的代数方程。
（3）解代数方程，得到未知函数的表达式。
根据代数方程的解，确定未知函数的形式。
（4）确定未知函数的常数。
根据给定的初始条件，确定未知函数中的常数值。
3. 傅里叶级数法对于特定的边界条件，常系数齐次线性方程还可以通过傅里叶级数法进行求解。
该方法主要适用于周期性边界条件的问题。
三、实例分析为了更好地理解求解常系数齐次线性方程的方法，我们来看一个具体的实例。
例题：求解方程y″+3y′+2y=0.解法：首先写出特征方程r²+3r+2=0，解得特征根r₁=-1，r₂=-2.特征根不相等，所以方程的通解为y=C₁e^(-x)+C₂e^(-2x)。
线性常微分方程的解法
线性常微分方程的解法一、引言线性常微分方程是数学中非常重要和常见的一类方程，广泛应用于物理、工程、经济等领域。
本文将介绍线性常微分方程的解法。
二、一阶线性常微分方程的解法1. 齐次线性微分方程的解法对于形如dy/dx + P(x)y = 0的齐次线性微分方程，可以使用特征方程的解法。
其中特征方程为dλ/dx + P(x)λ = 0，解得特征方程的解λ(x)，则齐次线性微分方程的通解为y = Cλ(x)，其中C为常数。
2. 非齐次线性微分方程的解法对于形如dy/dx + P(x)y = Q(x)的非齐次线性微分方程，可以使用常数变易法来求解。
假设齐次线性微分方程的解为y_1(x)，则通过常数变易法，可以得到非齐次线性微分方程的通解为y = y_1(x) *∫(Q(x)/y_1(x))dx + C，其中C为常数。
三、高阶线性常微分方程的解法1. 齐次线性微分方程的解法对于形如d^n(y)/dx^n + a_{n-1}(x)d^{n-1}(y)/dx^{n-1} + ... +a_1(x)dy/dx + a_0(x)y = 0的齐次线性微分方程，可以通过假设y = e^(rx)为方程的解，带入得到特征方程a_n(r) = 0。
解得特征方程的根r_1,r_2, ..., r_k，则齐次线性微分方程的通解为y = C_1e^(r_1x) +C_2e^(r_2x) + ... + C_ke^(r_kx)，其中C_1, C_2, ..., C_k为常数。
2. 非齐次线性微分方程的解法对于形如d^n(y)/dx^n + a_{n-1}(x)d^{n-1}(y)/dx^{n-1} + ... +a_1(x)dy/dx + a_0(x)y = F(x)的非齐次线性微分方程，可以使用待定系数法来求解。
设非齐次线性微分方程的特解为y_p(x)，通过将特解带入原方程，解得特解的形式。
然后将特解与齐次方程的通解相加，即可得到非齐次线性微分方程的通解。
常微分方程解法总结
常微分方程解法总结引言在数学领域中，常微分方程是一类以函数与其导数之间关系为描述对象的方程。
它广泛应用于物理、化学、生物等自然科学的建模和解决问题中。
常微分方程的求解有许多方法，本文将对其中一些常见的解法进行总结和讨论。
一、分离变量法分离变量法是求解常微分方程中常用的一种方法。
它的基本思想是将方程中的变量分离，将含有未知函数的项移到方程的一侧，含有自变量的项移到方程的另一侧，然后对两边同时积分，从而得到最终的解析解。
例如，考虑一阶常微分方程dy/dx = f(x)g(y)，可以将此方程改写为1/g(y)dy = f(x)dx，然后对两边同时积分得到∫1/g(y)dy =∫f(x)dx。
在对两边积分后，通过求解不定积分得到y的解析表达式。
二、常系数线性齐次微分方程常系数线性齐次微分方程是另一类常见的常微分方程。
它具有形如dy/dx + ay = 0的标准形式，其中a为常数。
这类方程的解法基于线性代数中的特征值和特征向量理论。
对于形如dy/dx + ay = 0的一阶常微分方程，可以假设其解具有形式y = e^(rx)，其中r为待定常数。
带入方程，解得a的值为r，于是解的通解即为y = Ce^(rx)，其中C为任意常数。
通过特定的初值条件，可以确定常数C的值，得到方程的特解。
三、变量分离法变量分离法是一种适用于某些特殊形式常微分方程的解法。
其基本思想是将方程中的变量进行适当的变换，从而将方程化为分离变量的形式。
例如，考虑一阶非齐次线性微分方程dy/dx = f(x)/g(y)，其中f(x)和g(y)为已知函数。
通常情况下，变量分离法需要对方程变形，将含有未知函数和自变量的项进行合并处理。
假设存在一个新的变量z(x) = g(y)，则dy/dx = (dy/dz)*(dz/dx) = (1/g'(y))*(dz/dx)。
将dy/dx和f(x)分别代入原方程，进而可以求得dz/dx。
对dz/dx进行积分后，可以得到z(x)的解析表达式。
常微分方程解法大全
常微分方程解法大全在数学和物理学中，常微分方程是一个重要而广泛应用的概念。
常微分方程描述连续的变化，解决了许多实际问题和科学领域中的模型。
解常微分方程可以揭示系统的行为并预测未来情况。
在本文中，我们将探讨常微分方程的各种解法，包括常见的常系数线性微分方程、变速微分方程、欧拉方程等各类形式。
常系数线性微分方程一阶线性微分方程对于形如 $\\frac{dy}{dt} + ay = f(t)$ 的一阶线性微分方程，可以利用积分因子法求解。
首先找到积分因子 $I(t) = e^{\\int a dt}$，然后将方程乘以积分因子得到$e^{\\int a dt}\\frac{dy}{dt} + ae^{\\int a dt}y = e^{\\int a dt}f(t)$，进而写成$\\frac{d}{dt}(e^{\\int a dt}y) = e^{\\int a dt}f(t)$。
对两边积分即可得到 $y = e^{-\\int a dt}\\int e^{\\int a dt}f(t)dt + Ce^{-\\int a dt}$。
高阶线性微分方程对于形如 $y^{(n)}(t) + a_{n-1}y^{(n-1)}(t) + \\ldots + a_1y'(t) + a_0y(t) =f(t)$ 的 n 阶线性微分方程，可以利用特征根法求解。
首先找到特征方程$\\lambda^n + a_{n-1}\\lambda^{n-1} + \\ldots + a_1\\lambda + a_0 = 0$ 的根$\\lambda_1, \\ldots, \\lambda_n$，然后通解可表示为 $y(t) = c_1e^{\\lambda_1t} + \\ldots + c_ne^{\\lambda_nt} + y_p(t)$，其中y p(t)为特解。
变速微分方程变速微分方程描述的是系统参数随时间变化的情况，通常包含随时间变化的系数。
常系数线性微分方程组的解法
A k ck ,
t c,
k!
k!
而数项级数
A k ck
k 1 k !
收敛 .
常系数线性方程组
2 矩阵指数的性质
(1) 若AB BA,则eAB eAeB. (2) 对任何矩阵A, (exp A)1存在,且
(exp A)1=exp(-A). (3) 若T是非奇异的,则
exp(T-1AT ) T-1(exp A)T.
,
0.
常系数线性方程组
例4
试求矩阵A=
2 1
1 4
特征值和特征向量.
解 特征方程为
det(
E
A)
1
2
1
4
2
6
9
0
因此 3为两重特征根, 为求其对应的特征向量
考虑方程组
1
(E A)c 1
1 1
c1 c2
例3
试求矩阵A=
3 5
5 3
特征值和特征向量.
解 A的特征值就是特征方程
det( E
A)
5
3
5
3
2
6
34
0
的根, 1 3 5i, 2 3 5i.
常系数线性方程组
对特征根1 3 5i的特征向量u (u1,u2 )T 满足
§4.3 常系数线性方程组
常系数线性方程组
一阶常系数线性微分方程组:
dx Ax f (t), dt
这里系数矩阵A为n n常数矩阵, f (t)在
常微分方程中的常系数线性方程及其解法
常微分方程中的常系数线性方程及其解法常微分方程（Ordinary Differential Equation，ODE）是一种数学模型，用于描述时间或空间上量的变化规律。
常微分方程中的常系数线性方程是ODE中一个重要的类别，其解法具有一定的规律性和普适性。
本文将就常微分方程中的常系数线性方程及其解法做简要介绍。
一、常系数线性方程的定义常系数线性方程是指其系数不随自变量t的变化而改变的线性方程。
一般写为：$$\frac{d^n}{dt^n}y(t)+a_{n-1}\frac{d^{n-1}}{dt^{n-1}}y(t)+...+a_1\frac{d}{dt}y(t)+a_0y(t)=f(t)$$其中a的值为常数，f(t)为已知函数，y(t)为未知函数，方程中最高阶导数的阶数为n。
n阶常系数线性方程也称为n阶齐次线性方程；当f(t)≠0时，称其为n阶非齐次线性方程。
二、常系数线性方程的解法对于一般形式的常系数线性方程，我们常用特征根的方法来求解。
具体来说，先考虑对应的齐次线性方程$$\frac{d^n}{dt^n}y(t)+a_{n-1}\frac{d^{n-1}}{dt^{n-1}}y(t)+...+a_1\frac{d}{dt}y(t)+a_0y(t)=0$$设y(t)=e^{rt}，则有$$r^ne^{rt}+a_{n-1}r^{n-1}e^{rt}+...+a_1re^{rt}+a_0e^{rt}=0$$整理得到$$(r^n+a_{n-1}r^{n-1}+...+a_1r+a_0)e^{rt}=0$$根据指数函数的性质得到$$r^n+a_{n-1}r^{n-1}+...+a_1r+a_0=0$$求解方程$$r^n+a_{n-1}r^{n-1}+...+a_1r+a_0=0$$可得到n个特征根，设其为$r_1,r_2,...,r_n$。
则对于齐次线性方程，其通解为$$y(t)=c_1e^{r_1 t}+c_2e^{r_2 t}+...+c_ne^{r_n t}$$其中$c_1,c_2,...,c_n$为待定常数。
4.2常系数线性微分方程的解法
(3) 求方程(4.19)通解的步骤
第一步: 求(4.19)特征方程的特征根 1, 2,, k ,
第二步: 计算方程(4.19)相应的解
(a) 对每一个实单根 k , 方程有解 ekt ; (b) 对每一个 m 1重实根k ,方程有m个解;
ekt , tekt , t 2ekt ,, t m1ekt ;
(
A(2) 0
A1(2)t
A t )e (2) k2 1 2t k2 1
(
A(m) 0
A1(m)t
A t )e (m) km 1 mt km 1
0
P1(t)e1t P2 (t)e2t Pm (t)emt 0
(4.27)
假定多项式 Pm (t) 至少有一个系数不为零，则 Pm (t)
不恒为零，
dnx
d n1x
d k1 x
dt n a1 dt n1 ank1 dt k1 0
显然 1, t, t 2 ,, t k11 是方程的 k1 个线性无关的解，
方程(4.19)有 k1 重零特征根
方程恰有 k1 个线性无关的解 1, t, t 2 ,, t k11
II. 设 1 0 是 k1 重特征根
L[e(1)t ] L[e te1t ]
e1t L1[e t ] e(1)tG( )
F( 1) G()
F ( j) (1) 0, j 1,2,, k1 1 F (k1) (1) 0,
dF
j ( d
j
1 )
dG j () d j
,
j 1,2,, k1
(4.19)的 k1重特征根 1
k1, k2 ,, km 重数 k1 k2 km n, ki 1
I. 设 1 0 是 k1 重特征根
常系数线性微分方程的解法
(4.2)的解.
定理4.2.2 设方程
dnx
d n1 x
dx
dt n a1(t ) dt n1 L an1(t ) dt an(t)x u(t ) iv(t )
§4.2 常系数线性微分方程的解法
一、复值函数与复值解 二、常系数齐线性微分方程的解法 三、常系数非齐线性微分方程的解法
一. 复值函数与复值解
定义 : 如果对于区间a t b中的每一个实数t,有复
数z(t)=(t)+i (t)与它对应,则称z(t)是定义在实值
区间[a, b]上的一个复值函数.
例1：求方程
d3 dt
x
3
d2x dt 2
2x
0的一个基本解组。
问题：如何求实系数方程的实值基本解组？
结果1'：如果L[ x] 0的特征方程F n a1 n1 ... an 0 有k个互异的实根1，2，...,k , 及2l(k 2l n)个复根
为代数方程
F n a1 n1 ... an 0
的根。
定义1：
称多项式F n a1 n1 ... an为L[ x] 0的特征多项式； 称方程F n a1 n1 ... an 0为L[ x] 0的特征方程； 称方程F n a1 n1 ... an 0的根为L[ x] 0的特征根。
实变量的复值函数的极限, 连续性, 可导性与实 变量的实值函数相应概念一致.
设K i是任一复数,定义
常系数线性微分方程的一般解法
初始条件法
根据微分方程和初始条件 ，确定通解中的任意常数 ，从而得到满足初始条件 的特解。
积分因式法
通过对方程进行适当的变 换，使其成为易于积分的 形式，然后求解通解。
05 微分方程的特解
特解的定义与性质
总结词
特解是满足微分方程的特定函数，具有 与原方程不同的形式。
VS
详细描述
特解是微分方程的一个解，它具有与原方 程不同的形式，但满足原方程的约束条件 。特解通常用于求解微分方程时，通过将 特解代入原方程来求解未知数。
二阶常系数线性微分方程
总结词
二阶常系数线性微分方程是形如 (y'' + p(t)y' + q(t)y = r(t)) 的方程，其中 (p(t))、(q(t)) 和 (r(t)) 是关于时间 (t) 的已知函数。
详细描述
二阶常系数线性微分方程的一般形式为 (y'' + p(t)y' + q(t)y = r(t))，其中 (p(t))、(q(t)) 和 (r(t)) 是关于时间 (t) 的已知函数。解这个方程可以得到 (y(t)) 的通解。
间的变化性微分方程在机械振动分析中有着广泛的应用，例如分 析弹簧振荡器、单摆等的振动规律。
电路分析
在电路分析中，微分方程被用来描述电流、电压随时间的变化规 律，以及电路元件的响应特性。
控制工程
在控制工程中，微分方程被用来描述系统的动态特性，以及系统 对输入信号的响应。
在经济中的应用
供需模型
微分方程可以用来描述商品价格 随时间的变化规律，以及供需关 系对价格的影响。
投资回报分析
在投资领域，微分方程可以用来 描述投资回报随时间的变化规律， 以及风险因素对投资回报的影响。
(整理)二阶常系数线性微分方程的解法版.
第八章 8.4讲第四节 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rxe 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rx e 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 i y 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 x e x e y y x x βββααt a n c o s s i n 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 te 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te 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xe 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 s i n 51c o s 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-+-+=+=-*.。
常系数线性微分方程组的解法举例
给定一个n阶常系数线性微分方程组，其一般形式为y' = Ay，其中y是一个n维向量，A是一个n×n的常数 矩阵。
线性微分方程组的分类
按照矩阵A的特征值分类
根据矩阵A的特征值，可以将线性微分方 程组分为稳定、不稳定和临界稳定三种 类型。
VS
按照解的形态分类
根据解的形态，可以将线性微分方程组分 为周期解、极限环解和全局解等类型。
总结解法技巧与注意事项
• 分离变量法：将多变量问题转化 为单变量问题，通过分别求解每 个变量的微分方程来找到整个系 统的解。
总结解法技巧与注意事项
初始条件
在求解微分方程时，必须明确初始条件，以便确定解 的唯一性。
稳定性
对于某些微分方程，解可能随着时间的推移而发散或 振荡，因此需要考虑解的稳定性。
常系数线性微分方程组的 解法举例
• 引言 • 常系数线性微分方程组的定义与性质 • 举例说明常系数线性微分方程组的解
法 • 实际应用举例 • 总结与展望
01
引言
微分方程组及其重要性
微分方程组是描述物理现象、工程问 题、经济模型等动态系统的重要工具。
通过解微分方程组，我们可以了解系 统的变化规律、预测未来的状态，并 优化系统的性能。
04
实际应用举例
物理问题中的应用
电路分析
在电路分析中，常系数线性微分方程组可以用来描述电流、电压和电阻之间的关系。通过解方程组，可以确定电 路中的电流和电压。
振动分析
在振动分析中，常系数线性微分方程组可以用来描述物体的振动行为。通过解方程组，可以预测物体的振动模式 和频率。
经济问题中的应用
供需关系
要点二
详细描述
初始条件是微分方程组中描述系统在初始时刻状态的约束 条件。它们对微分方程组的解具有重要影响，决定了解的 初始状态和行为。在求解微分方程组时，必须考虑初始条 件的影响，以确保得到的解是符合实际情况的。不同的初 始条件可能导致完全不同的解，因此在求解微分方程组时 ，需要仔细选择和确定初始条件。
常系数线性微分方程的求解
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（’!）
利用通常的比较系数法要求出通解（’!）是相当困难的，作变量代换后把求解方程（’#）的问题
变得得容易了。
参考文献：
［’］ 王高雄等8常微分方程8北京：高等教育出版社，!###
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常系数线性微分方程的解法常微分方程课件高教社王高雄教材配套
汇报人：
特征值和特征向量
特征值：线性变 换的特征值是线 性变换矩阵的特 征多项式的根
特征向量：线性 变换的特征向量 是线性变换矩阵 的特征多项式的 解
特征值和特征向 量的关系：特征 值和特征向量是 线性变换矩阵的 特征多项式的解 和根
特征值和特征向量 的应用：特征值和 特征向量在常系数 线性微分方程的解 法中有广泛的应用， 如求解线性微分方 程的解、求解线性 微分方程组的解等
积分因子法
积分因子法的定义：通过求解积分因子，将微分方程转化为积分方程，从而求解微分方程的方法。 积分因子法的步骤：首先，求解积分因子；然后，将微分方程转化为积分方程；最后，求解积分方程。
积分因子法的应用：适用于求解常系数线性微分方程，如二阶常系数线性微分方程。
积分因子法的优缺点：优点是简单易行，缺点是适用范围有限，仅适用于常系数线性微分方程。
,
汇报人：
目录
定义和形式
常系数线性微分方程：含有未知函数及其导数的方程，其系数为常数
一阶常系数线性微分方程：形如y' + py = q(t)的方程，其中p和q(t)为常数
二阶常系数线性微分方程：形如y'' + py' + qy = r(t)的方程，其中p、q和r(t)为 常数
高阶常系数线性微分方程：形如y(n) + p(n-1)y(n-1) + ... + qy = r(t)的方程，其中p(n-1)、q和r(t)为常 数
描述物体运动：如自由落体、弹簧 振子等
在物理中的应用
描述热传导：如热传导方程、热扩 散方程等
常系数线性微分方程的解法
常系数线性微分方程的简介
常系数线性微分方程是微分方程的一种形式，其特点是方程中的未知函数和其导数都是一次的，且系 数是常数。
这种类型的微分方程在解决实际问题中非常有用，因为它们能够描述许多自然现象和系统的动态行为 。
解法的历史背景和发展
早期解法
在17世纪，数学家开始研究常系数线性微分方程的解法，如牛顿 和莱布尼茨等。
经济学问题
根据经济学原理和经济数据，建立微分方程 描述经济系统的变化趋势。
几何问题
通过几何图形和空间关系，建立微分方程描 述物体的运动轨迹。
生物学问题
根据生物学原理和实验数据，建立微分方程 描述生物种群的增长规律。
常系数线性微分方程的一般形式
y'' + p*y' + q*y = f(x)
其中，y''表示y的二阶导数，p和q是常数，f(x)是x的函数。
变量代换法
总结词
通过引入新的变量代换，将微分方程转化为 更容易求解的形式。
详细描述
首先，选择一个新的变量代换，将微分方程 中的未知函数表示为这个新变量的函数。然 后，将这个新变量的函数代入微分方程，得 到一个更容易求解的方程。最后，对方程进 行求解，得到未知函数的通解。
积分因子法
总结词
通过寻找一个积分因子，将微分方程转化为 一个更简单的方程，从而求解。
数值解法
对于难以解析求解的方程，可以采 用数值方法进行近似求解，如欧拉
法、龙格-库塔法等。
A
B
C
D
人工智能算法
结合人工智能技术，如神经网络、遗传算 法等，可以提供新的求解思路和方法。
自适应算法
根据问题的具体情况，采用自适应算法可 以更好地控制求解精度和计算量。
（整理）二阶常系数线性微分方程的解法版.
（整理）⼆阶常系数线性微分⽅程的解法版.第⼋章 8.4讲第四节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≠23.⼆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rxe y =来试着看能否选取适当的常数r ,使rxe 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=++rxe q pr r因为0≠rxe, 所以只有 02=++q pr r (3)只要r 满⾜⽅程式(3),rxe 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 2422,1qp 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 -+-=,2p 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xr 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 xr 整理,得0])()2([12111=+++'++''u q pr r u p r u e xr由于01≠xr 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 xi e y ey )(2)(1,βαβα-+==利⽤欧拉公式 x i x e ixsin cos +=把21,y y 改写为)sin (cos )(1x i x e e e ey x x i x xi ββαβαβα+=?==+ )sin (cos )(2x i x e e e ey 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 x e x e y y x x βββααt a n c o s s i n 12常数,所以⽅程(2)的通解为 )sin cos (21x C x C e y xββα+= 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(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 ey x+=-.例 2 求⽅程0222=++S dt dSdtS 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 r 121-==r r通解为 te 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te 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 xe C eC y 231+=-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 xλ=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xe 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xe x Q y λ)(=*,其中)(x Q 是某个多项式函数.把 xe x Q y λ)(=*xe x Q x Q y λλ)]()(['+=*'xe 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 λλ02=+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xm e x P x f λ)()(=,则式(1)的特解为xm 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xey y 232-='+''的⼀个特解.解 )(x f 是xm 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 xxe y 223--=* .例5 求⽅程xe 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 xe 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+=*e 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 ??sin 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 kωω+=*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 xsin 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 r 3,121=-=r r x x e C e C Y 321+=-再求⾮齐次⽅程的⼀个特解*y .由于xex 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 s i n 51c o s 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-+-+=+=-*.。
42常系数线性微分方程的解法
为什么？
内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾 制作
例2 求方程 y(4) 6y(3) 15y 18y 10y 0 的通解
解：(复单根)特征方程为：
4 63 152 18 10 0
特征根 对应的基本解组
1 1 i,2 1 i,3 2 i,4 2 i
, t k1 e 1 1 t , t k2 1e2t
, t km e 1 mt
内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾 制作
对于特征方程有复重根的情况，结合前面的两种情况就可以讨论了。
要（4.20）是方程（4.2）的解的充要条件为：
F () n a1 n1 an1 an 0 (4.21)
称（4.21）是方程（4.19）的特征方程，它的根称为特征根。
内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾 制作
于是有
求解常系数线性微分方程问题
L[ x]
dnx dt n
z2
(t)]
dz1(t) dt
ห้องสมุดไป่ตู้
dz2 (t) dt
dz dt
[c
z1
(t
)]
c
dz1(t dt
)
乘积性
dz dt [z1(t) z2 (t)]
dz1(t dt
)
z2
(t
)
z1
(t
)
dz2 (t dt
)
注意：同实值函数的微分运算法则一样。
内江师范学院数学与信息科学学院 吴开腾 制作
假如有下面形式（4.20）是方程（4.19）的解
常系数线性微分方程的解法
常系数线性微分方程的解法在微积分学中，常系数线性微分方程是一类重要的微分方程，其形式为：\[a_ny^{(n)}+a_{n-1}y^{(n-1)} + \cdots + a_1y' + a_0y = 0\]其中，\(y^{(n)}\) 表示 \(y\) 的 \(n\) 阶导数，\(a_n, a_{n-1}, \ldots, a_1, a_0\) 是常数系数。
解常系数线性微分方程有多种方法，下面将介绍其中两种常见的解法：特征根法和常数变易法。
一、特征根法特征根法是解常系数线性微分方程的一种常用方法。
它的基本思想是假设解具有指数形式：\[y = e^{rx}\]其中，\(r\) 是待定的常数。
代入微分方程得：\[a_nr^n e^{rx} + a_{n-1}r^{n-1}e^{rx} + \cdots + a_1re^{rx} +a_0e^{rx} = 0\]化简后得：\[e^{rx}(a_nr^n + a_{n-1}r^{n-1} + \cdots + a_1r + a_0) = 0\]由指数函数的性质可知，对于任意 \(x\)，\(e^{rx} \neq 0\)，因此上式成立等价于：\[a_nr^n + a_{n-1}r^{n-1} + \cdots + a_1r + a_0 = 0\]这个方程被称为特征方程。
解特征方程，求得所有的根 \(r_1, r_2, \ldots, r_n\)。
根据根的个数和重数，我们可以得到不同类型的解：1. 根为实数如果根 \(r\) 是实数，那么相应的解为：\[y = C_1e^{r_1x} + C_2e^{r_2x} + \cdots + C_ne^{r_nx}\]其中，\(C_1, C_2, \ldots, C_n\) 是待定常数。
2. 根为复数如果根 \(r\) 是复数，那么相应的解为：\[y = e^{\alpha x}(C_1\cos(\beta x) + C_2\sin(\beta x))\]其中，\(\alpha\) 和 \(\beta\) 是复数的实部和虚部，\(C_1\) 和 \(C_2\) 是待定常数。
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常系数线性微分方程的解法摘要：本文对常系数线性方程的各种解法进行分析和综合，举出了每个方法的例题，以便更好的掌握对常系数线性微分方程的求解. 关键词：特征根法；常数变易法；待定系数法Method for solving the system of differential equationwith Constant Coefficients LinearAbstract: Based on the linear equations with constant coefficients of analysisand synthesis method, the method of each sample name, in order to better grasp of the linear differential equation with constant coefficients of the solution.Key Words: Characteristic root ；Variation law ；The undetermined coefficientmethod前言：常系数性微分方程因形式简单，应用广泛，解的性质及结构已研究的十分清楚，在常微分方程中占有十分突出的地位。
它的求解是我们必须掌握的重要内容之一，只是由于各种教材涉及的解法较多，较杂，我们一般不易掌握，即使掌握了各种解法，在具体应用时应采用哪种方法比较适宜，我们往往感到困难。
本文通过对一般教材中涉及的常系数线性微分方程的主要解法进行分析和比较，让我们能更好的解常系数线性微分方程。
1．预备知识 复值函数与复值解如果对于区间a t b ≤≤中的每一实数t ，有复值()()()z t t i t ϕψ=+与它对应，其中()t ϕ和()t ψ是在区间a t b ≤≤上定义的实函数，i =是虚数单位，我们就说在区间a t b ≤≤上给定了一个复值函数()z t .如果实函数()t ϕ，()t ψ当t 趋于0t 时有极限，我们就称复值函数()z t 当t 趋于0t 时有极限，并且定义()()()0lim lim lim t t t t t t z t t i t ϕψ---=+.如果()()00lim t t z t z t -=，我们就称()z t 在0t 连续.显然，()z t 在0t 连续相当于()t ϕ，()t ψ在0t 连续.当()z t 在区间a t b ≤≤上每一点都连续时，就称()z t 在区间a tb ≤≤上连续.如果极限()()000limt t z t z t t t ---存在，就称()z t 在0t 有导数（可微）.且记此极限为()0dz t dt或者()'0z t ，显然()z t 在0t 处有导数相当于()t ϕ，()t ψ在0t 处有导数，且()()()000dz t d t d t i dt dt dtϕψ=+. 如果()z t 在区间a t b ≤≤上每点都有导数，就称()z t 在区间a t b ≤≤上有导数.对于高阶导数可以类似地定义.设()1z t ，()2z t 是定义在a t b ≤≤上的可微函数，c 是复值常数，容易验证下列等式成立：()()()()1212dz t dz t dz t z t dt dt dt +=+⎡⎤⎣⎦，()()11dz t d cz t c dt dt⎡⎤=⎣⎦， ()()()()()()122211dz t dz t d z t z t z t z t dt dt dt⎡⎤•=•+⎣⎦. 在讨论常系数线性微分方程时，函数Kt e 将起着重要的作用，这里K 时复值常数.我们现在给出它的定义，并且讨论它的简单性质。
设K i αβ=+时任依复数，这里α，β是实数，而t 为实变量， 我们定义()()cos sin i Kt t t e e e t i t αβαββ+==+. 由上述定义立即推得()1cos 2i ti t t e e βββ-=+， ()1sin 2i t i t t e e iβββ-=-.2．常系数齐次线性微分方程解法分析 形如()()()1'11...n n n n y a y a y a y f x --++++= (1)的方程称为n 阶常系数线性非齐次方程，其中()1,2,...,i a R i n ∈=，如果()0f x =，即()()1'11...0nn n n y a y a y a y --++++= (2)称为n 阶常系数线性齐次微分方程.为求(2)的解，可以用特征根法（或称Euler 待定指数函数法），其基本思想是将微分方程（2）的求解问题转化为代数方程：111...0n n n n a a a λλλ--+++= (3)的求根问题，而不必经过积分运算，只要求出方程(3)的全部根，就能写出方程(3)的通解，问题彻底解决.根据解的结构定理，只要求出方程(1)的的任一特解*y ，借助于方程(2)的通解，就可写出方程(1)的通解。
求方程(1)的特解*y 的方法有常数变易法，待定系数法，拉普卡斯变换法。
常数变易法是求特解(1)较一般方法，适用于较为一般的函数()f x ，缺点是计算较为繁琐，而且还必须进行积分运算，可能会遇到积分上的困难，此解决还有一个缺点是()()'1,2,...,i c x i n =满足的方程组不易推导，因此在求方程(1)的特解*y 时，一般不提倡此法。
其余二种解法只适用于()()()cos sin x m k f x e P x x Q x x αβ=+⎡⎤⎣⎦（其中,R m k αβ∈，，为非负整数，()()m k P x Q x ，分别是m 次和k 次实系数多项式）. 3.一阶常系数线性方程组的解法分析 形如()dyAy F x dx=+ (4)的方程组称为一阶常系数线性非齐次方程组. 其中()1,2,...Tn y y y y =，()ij n nA a ⨯=，()()()()()12,,...,Tn F x f x f x f x =.当()0F x =时，即dyAy dx= (5) 称为一阶常系数线性齐次方程组.求方程组(5)的解，一般需先考虑A 的特征根。
当A 的特征根为单根时，用特征根法，此时只需提出每个特征根所对应的特征根向量，便可得到方程组(5)的通解；（当特征根时单复根时，需引入复根的概念在经过技术处理得到实解）；当A 的特征根有重根时，用特定系数法，也可以用A 的特征根求出指数矩阵Ax e 而得到方程组(5)的通解，还可以不考虑A 的特征根，Laplace 变换法求解，至于求方程组(4)的某一特征解*y ，一般用常数变易法. 4.典型例题 4.1特征根法例1 求方程440d xx dt-=的通解.解 特征方程410λ-=的根为12341,1,,.i i λλλλ==-==-有两个实根和两个复根，均是单根，故方程的通解为1234cos sin t t x c e c e c t c t -=+++，这里1234,,,c c c c 是任意常数.例2 求解方程424220.d x d xx d t d t++=解 特征方程为42210λλ++=，或()2210λ+=，即特征根是重根.因此，方程有四个实值解cos ,cos ,sin ,sin ,t t t t t t故通解为()()1234cos sin x c c t t c c t t =+++，其中1234,,,c c c c 为任意常数.例3 求方程3232330d x d x dxx dt dt dt-+-=的通解.解 特征方程323310,λλλ-+-=或()310,λ-=即1λ=是三重根，因此方程的通解具有形状()2123,t x c c t c t e =++其中1234,,,c c c c 为任意常数. 4.2常数变易法例 1 求方程''1cos x x t+=的通解，已知它的对应齐次线性微分方程的基本解组为cos ,sin .t t解 应用常数变易法，令()()12cos sin ,x c t t c t t =+将它带入方程，则可得决定()'1c t 和()'2c t 得两个方程()()''12cos sin 0,tc t tc t +=及 ()()''121sin cos ,cos tc t tc t t-+= 解得()()''12sin ,1,cos t c t c t t=-= 由此()()1221ln cos ,.c t t c t t γγ=+=+于是原方程的通解为12cos sin cos ln cos sin ,x t t t t t t γγ=+++其中12,γγ为任意常数.例2 求方程'''2tx x t -=于域0t ≠上的所有解解 对应的齐次线性微分方程为'''0,tx x -=求得它的基本解组.事实上，将方程改写成'''1,x x t= 积分即得',x At =所以21,2x At B =+这里,A B 为任意常数 易见基本解组21,t 为应用上面的结论，我们将方程组改写为'''1,x x t t-=并以()()212x c t c t t =+代入，可得决定()'1c t 和()'2c t 的两个方程()()'2'120c t t c t +=和()'22,tc t t =于是()()322,1111,26c t t c t t γγ=+=-+故得原方程组的通解为23121,3x t t γγ=++这里12,γγ是任意常数，它包含了方程组的所有解. 4.3比较系数法例1 求方程222331d x dxx t dt dt--=+的通解.解 先求对应的齐次线性微分方程22230d x dxx dt dt--= 的通解.这里特征方程2230λλ--=有两个根123,1λλ==-.因此，通解为312t t x c e c e -=+，其中12,c c 为任意常数.再求非齐次线性微分方程的一个特解.这里0λ=又因为0λ=不是特征根，故可取特解形如x A Bt =+，其中,A B 为特定常数，为了确定,A B ，将x A Bt =+代入原方程，得到23331,B A Bt t ---=+比较系数得33,231,B B A -=⎧⎨--=⎩由此得11,3B A =-=，从而13x t =-，因此，原方程的通解为31213t t x c e c e t -=+-+.例2 求方程2223t d x dxx e dt dt---=的通解.解 从上例知道对应的齐次线性微分方程的通解为312t t x c e c e -=+其中12,c c 为任意常数.现求原方程的一个特解,这里()t f t e -=,因为1λ=-刚好特征方程的单根,故有特解形如t x Ate -=,将它代入原方程得到4t t Ae e ---=,从而14A =-,于是14t x te -=-,而原方程的通解为31214t t t x c e c e te --=+-.例3 求方程2244cos 2d x dxx t dt dt++=的通解解 特征方程2440λλ++=有重根122λλ==-因此，对应的其次线性微分方程的通解为212(),t x c c t e -=+其中12,c c 为任意常数。