线性微分方程通解的结构
三阶常系数齐次线性微分方程通解结构
三阶常系数齐次线性微分方程通解结构三阶常系数齐次线性微分方程是指形如$ay+by+cy+dy=0$的三阶常系数齐次线性微分方程，其中a，b，c，d均为常数。
因此，三阶常系数齐次线性微分方程又称为三阶常系数线性普通微分方程，是初等微积分学中较为重要的一类微分方程。
二、定理假设 y = y(x)为$ay+by+cy+dy=0$的通解，则满足下列条件：（1）若 $b^2-3ac>0$，则存在常数$C_1、C_2、C_3$，使得通解可以表示为$$y=C_1e^{lambda_1x}+C_2e^{lambda_2x}+C_3e^{lambda_3x}$$ 其中$lambda_1、lambda_2、lambda_3$分别为$$lambda_1= frac{-b-sqrt{b^2-3ac}}{3a}，lambda_2=frac{-b+frac{sqrt{3}}{2}isqrt{4ac-b^2}}{3a}，lambda_3=frac{-b-frac{sqrt{3}}{2}isqrt{4ac-b^2}}{3a}$$（2）若$b^2-3ac=0$，则存在常数$C_1、C_2、C_3$，使得通解可以表示为$$y=C_1x^3+C_2x^2+C_3x+C_4$$（3）若$b^2-3ac<0$，则存在常数$C_1、C_2、C_3$，使得通解可以表示为$$y=C_1cos(lambda_1x)+C_2sin(lambda_1x)+C_3cos(lambda_2x)+C_4sin(lambda_2x)$$其中$lambda_1、lambda_2$分别为$$lambda_1=-frac{b}{3a}+frac{sqrt{3}}{3a}sqrt{3ac-b^2}，lambda_2=-frac{b}{3a}-frac{sqrt{3}}{3a}sqrt{3ac-b^2}$$三、公式从上述定理中可以看出，三阶常系数齐次线性微分方程的通解可以分为三类：（1）$b^2-3ac>0$的情况：$$y=C_1e^{lambda_1x}+C_2e^{lambda_2x}+C_3e^{lambda_3x}$$ （2）$b^2-3ac=0$的情况：$$y=C_1x^3+C_2x^2+C_3x+C_4$$（3）$b^2-3ac<0$的情况：$$y=C_1cos(lambda_1x)+C_2sin(lambda_1x)+C_3cos(lambda_2x)+C _4sin(lambda_2x)$$四、推导（1）$b^2-3ac>0$的情况：两边同时乘以$e^{-lambda_1x}，e^{-lambda_2x}，e^{-lambda_3x}$，得到$$e^{-lambda_1x}(alambda_1^3y+blambda_1^2y+clambda_1y+dy)=e ^{-lambda_2x}(alambda_2^3y+blambda_2^2y+clambda_2y+dy)=e^{-lambda_3x}(alambda_3^3y+blambda_3^2y+clambda_3y+dy)=0$$ 即$$(alambda_1^3+blambda_1^2+clambda_1+d)e^{-lambda_1x}y+(bla mbda_1^2+2clambda_1+d)e^{-lambda_1x}y+(clambda_1+d)e^{-lamb da_1x}y+(d)e^{-lambda_1x}y=0$$令$e^{-lambda_1x}y=Y$，$e^{-lambda_1x}y=Y’$，$e^{-lambda_1x}y=Y’’$，$e^{-lambda_1x}y=Y’’’$得到一阶齐次线性微分方程的一般解为$y=e^{lambda_1x}(C_1+C_2x+C_3x^2+C_4x^3)$可知，设$C_1=C_2=C_3=0$，有特解$y_p=C_4e^{lambda_1x}x^3$ 所以，原方程的通解为$$y=C_1e^{lambda_1x}+C_2e^{lambda_2x}+C_3e^{lambda_3x}+C_4e ^{lambda_1x}x^3$$（2）$b^2-3ac=0$的情况：类似上述推导，原方程的通解为$$y=C_1x^3+C_2x^2+C_3x+C_4$$（3）$b^2-3ac<0$的情况：类似上述推导，原方程的通解为$$y=C_1cos(lambda_1x)+C_2sin(lambda_1x)+C_3cos(lambda_2x)+C _4sin(lambda_2x)$$五、例题例 1：求解$y3y+3yy=0$的通解。
微分方程通解结构
微分方程通解结构
一、微分方程通解的基本结构
微分方程通解的基本结构是由三个要素组成的，即：（1）积分常数（2）特解，（3）非特解。
（1）积分常数：积分常数是指当对某非齐次微分方程求解一个通解时，随着解空间中不同积分路径极限所产生的定值，这些定值就是积分常数。
（2）特解：是指当对微分方程求解一个通解时，由方程右端所含的非线性特解形成的解空间的一部分。
（3）非特解：是指对某非齐次微分方程求解一个通解时，所得出的方程没有特解的解空间的一部分。
二、综合结构
微分方程通解综合结构的一般形式为：
y=C+y1+y2；
其中，C是积分常数；y1是非特解部分；y2是特解部分。
在实际计算中，根据方程的特殊性，还可以作出一些其他的结构，例如：
（1）y=C1+C2y1+C3y2；
（2）y=C1y1+C2y2；
（3）y=C1+C2y1+y2；
（4）y=C1y1+y2；
以上结构中，积分常数C1，C2要根据具体情况给定，而积分常
数C3由积分路径极限所产生，由此可见，微分方程通解结构的具体形式及其积分常数的取值都要根据方程的具体特性来确定。
WJF8-5线性微分方程的性质与解的结构
如果y1 ( x ), y2 ( x )中的任意一个都不是另一个的常数倍,
y1 ( x ) 即 不恒等于非零常数, 则称y1 ( x )与y2 ( x )线性无关, y2 ( x ) 否则称y1 ( x )与y2 ( x )线性相关。
定理8.2 如果y1 ( x ), y2 ( x )是方程(1)的两个线性无关的解, 则 y C1 y1 C 2 y2 就是方程(1)的通解. 如 y1 cos x和y2 sin x是方程 y y 0的两个线性无关解.
方程(1)的任何两个线性无关的 特解称为基解组.
三、线性非齐次微分方程解的结构
定理8.3 设 y1 ( x ) 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, y2 ( x ) 是对应的齐次方程(1)的通解, 那么 Y y1 ( x ) y2 ( x ) 是方程(2)的通解. 证 因为 y1 P ( x ) y1 Q( x ) y1 f ( x ) 且 y P ( x ) y Q( x ) y2 0 2 2 则 Y P ( x )Y Q( x )Y ( y1 y2 ) P ( x )( y1 y2 ) Q( x )( y1 y2 ) [ y1 P ( x ) y1 Q( x ) y1 ] [ y P ( x ) y Q( x ) y2 ] f ( x ) 2 2
y P ( x ) y Q( x ) y f 2 ( x ) 和 的解, 则 y1 ( x ) y2 ( x ) 是方程 y P ( x ) y Q( x ) y f1 ( x ) f( x ) y Q( x ) y 0 (1)
二、线性齐次微分方程解的结构
2.线性微分方程解的结构
推广 yi(： x)(i 若 1 ,2, .n)是 n阶齐线性微
y ( n ) p 1 ( x ) y ( n 1 ) p n 1 ( x ) y p n ( x ) y 0 ..( .2 ..) .
n
的解，则它们的线性组合 y(x) ciyi(x) 也是方程 (2) 的解。 i1
当且 c1c 仅 20时 当， c 1 y 1 (x 才 ) c 2 y 2 ( 有 x ) 0 ,x I， 则 y1(x)与 y2(x)在区 I上 间线性无关。
定义: 设 y 1 ( x ) y 2 ( , x ) , , y n ( x ) 是定义在区间 I 上的 n 个函数, 若存在不全为 0 的常数 k1,k2, ,kn,使得
由e x 函 的数 e 特 x (e x ) 点 (e x ) ： ， 即 可
例 1 .求(x 方 1 )y x 程 y y 0 的通解。
解： (x 1 因 ) x 1 为 0 ，所以，
yex是原方程的一个解。
又容易看出：yx 也是原方程的一个解。
利用y： 1(x) y2(x)
常数 y1(x)、 y2(x)线性无关
( 2 ) 若 1 P ( x ) Q ( x ) 0 , 则yex是它的一个; 特解 ( 3 ) 若 1 P ( x ) Q ( x ) 0 , 则yex是它的一个 ; 特
(4 )若 h (x ) p (x ) q (x ) 0 ，则方程
h ( x ) y p ( x ) y q ( x ) y 0 , 则yex是它的一个; 特解
第四节 二阶常系数线性微分方程
一、高阶线性微分方程的一般理论 二、二阶常系数齐线性微分方程的解 三、二阶常系数非齐线性微分方程的解
高阶线性微分方程的一般理论
线性微分方程解的结构
上线性无关。 则 y1 ( x) 与 y2 ( x) 在区间 I 上线性无关。
例
证
证明： cos 线性无关的。 证明： x 与 sin x 在任何一个区间上均为 线性无关的。
上线性相关， 若 cos x 与 sin x 在某区间 I 上线性相关，则存在不 全为零
π
2
) 上线性无关。 上线性无关。
(3) 二阶齐线性微分方程解的结构 定理 1 若 y1 ( x)、y2 ( x) 是二阶齐线性方程
y′′ + p ( x) y′ + q( x) y = 0
的两个线性无关的解， 的两个线性无关的解，则
(2)
y ( x) = c1 y1 ( x) + c2 y2 ( x)
x ex W [ x, e x ] = = e x ( x − 1) ， 1 ex
从而， 线性无关。 由题意 x ≠ 1，故 W [ x, e x ] ≠ 0，从而，x 与 e x 线性无关。
由叠加原理， 由叠加原理，原方程的通解为
y = C1 x + C2 e x 。
问题： 问题：
的一个解， 如果已知 y1 ( x) 是方程 y′′ + p( x) y′ + q ( x) y = 0 的一个解， 如何求出方程的一个与 y1 ( x) 线性无关的解 y2 ( x) ?
怎么做？
′ y1 z ′ + (2 y1 + p ( x) y1 ) z = 0。
即 故有
z′ +
′ 2 y1 + p ( x) y1 z = 0。 y1
−
关于 z 的一阶线性方程
微分方程通解
微分方程通解------------------------------------------------------------------------------一、线性微分方程解的结构1、二阶线性微分方程的一般形式：\frac{d^{2}y}{dx^{2}}+P(x)\frac{dy}{dx}+Q(x)y=f(x)（特点是左端每一项关于未知函数y及y'、y''都是一次的，若f(x)=0，则称方程是齐次的，否则，当f(x)≠0时，方程叫非齐次的。
）2、定理1：如果函数y1(x)和y2(x)是方程y''+P(x)y'+Q(x)y=0的两个解，那么y=C_{1}y_{1}(x)+C_{2}y_{2}(x)也是这个方程的解3、定理2：如果函数y1(x)和y2(x)是方程y''+P(x)y'+Q(x)y=0的两个线性无关的特解，那么y=C_{1}y_{1}(x)+C_{2}y_{2}(x)是这个方程的通解。
（线性相关的定义：设y1(x)、y2(x)...yn(x)为定义在趋于I上的n 个函数，如果存在n个不全为0的常数k1，k2...kn，使得x∈I时有恒等式k_{1}y_{1}+k_{2}y_{2}+...k_{n}y_{n}≡0 成立，则称这n个函数在区间I上线性相关，否则称线性无关。
）4、定理3：设y^{*}(x)是二阶非齐次线性方程y''+P(x)y'+Q(x)y=f(x)的一个特解，Y(x)是与这个方程对应的齐次方程y''+P(x)y'+Q(x)y=0的通解，则y=Y(x)+y^{*}(x)是二阶非齐次线性微分方程的通解。
5、定理4：设非齐次线性方程的右端f(x)是几个函数之和，如y''+P(x)y'+Q(x)y=f_{1}(x)+f_{2}(x)，而y_{1}^{*}(x)和y_{2}^{*}(x)分别是方程y''+P(x)y'+Q(x)y=f_{1}(x)和方程y''+P(x)y'+Q(x)y=f_{2}(x)的特解，那么y_{1}^{*}(x)+y_{2}^{*}(x)是方程y''+P(x)y'+Q(x)y=f_{1}(x)+f_{2}(x)的特解。
微分方程-线性微分方程通解的结构
y1( x), y2 ( x)在 I = [a, b]上线性无关
Hale Waihona Puke ⇔w(x) =y1( x) y1′ ( x)
y2( x) y2′ ( x)
≠
0,
x∈ I.
1.齐线性微分方程解的结构
定理 12.1 (齐次线性方程(6.1)的通解结构)
如果 y1(x) 与 y2(x) 是方程(6.1)的两个线性无关的 特解, 那么 y = C1 y1 + C2 y2 就是方程(6.1)的通解.
有阻尼强迫振动 的方程
Lc
d2 uc dt2
+
2β
d uc dt
+
ω02uc
=
Em LC
sinωt
串联电路的振荡方程
d2 y d x2
+
P(x)d y + Q(x) y = dx
f (x)
—— 二阶线性微分方程
当 f ( x) ≡ 0时，二阶齐次线性微分方程
当 f ( x) ≡/ 0时， 二阶非齐次线性微分方程
k1 y1( x) + k2 y2( x) + L + kn yn( x) ≡ 0, x ∈ I 则称这 n个函数在 I 上线性相关；否则称为 线性无关.
特别地,对于两个函数的情形：
定理 设 y1( x), y2 ( x)在 I = [a, b] 上连续，若
y1( x ) ≠ 常数或 y2 ( x ) ≠ 常数
性质3 若 y1( x), y2( x)均是非齐次线性方程 (6.2)的 解，则 y1( x) − y2( x)必是齐次线性方程 (6.1)的解 .
性质4 (非齐次线性方程解的叠加原理)
若 yi ( x)是方程 :
微分方程的特解通解
微分方程的特解通解微分方程是数学领域中常见的问题，它描述了未知函数及其导数之间的关系。
微分方程的解可以分为特解和通解两种形式。
特解是满足微分方程的一个具体函数，而通解则包含了所有满足微分方程的函数族。
下面将详细介绍微分方程的特解和通解。
微分方程的特解是满足该微分方程的一个具体函数。
对于一阶线性微分方程y'+p(x)y=q(x)，可以使用常数变易法求得其特解。
常数变易法的基本思想是假设特解y*=u(x)，然后代入微分方程，通过解方程来确定u(x)。
具体步骤如下：1.将待求的特解y*写成u(x)的形式，其中u是待定函数。
2.求取特解y*的导数y*'=u'(x)。
3.将特解y*和其导数y*'代入原微分方程，得到关于u(x)的方程。
4.对关于u(x)的方程进行求解，得到u(x)的表达式。
5.将u(x)代入y*=u(x)，即得到待求的特解。
对于一些特殊的微分方程，可以通过不同的方法求得特解。
比如对于线性常系数齐次微分方程 y'' + by' + cy = 0 ，可以使用代数法、特征根法或级数法来求解特解。
特解是满足微分方程的一个具体函数，而通解则包含了所有满足微分方程的函数族。
通解的形式可表示为 y = yh + yp ，其中 yh 表示齐次方程的通解，而 yp 表示非齐次方程的特解。
对于一阶线性微分方程来说，通解的形式可以表示为 y = yh + yp = Ce^(-∫p(x) dx) + u(x)，其中 C 为任意常数，e 表示自然对数的底，∫p(x) dx 表示 p(x) 的不定积分，u(x) 表示特解。
对于高阶微分方程来说，通解的形式可以通过级数法求得。
级数法是在齐次方程的通解的基础上，构造非齐次方程的通解。
通过假设非齐次方程的特解具有形式 y = ∑(An(x) xn) ，其中 An(x) 为待定函数，x 为自变量，nxn 为特解的通项。
然后将特解形式代入原微分方程，通过比较系数的方法来确定 An(x)。
线性微分方程通解的结构
y p( x) y q( x) y f2( x)
的解y， 则py(1x()xy) qy(2x()xy)是0方程：(6.1)
y p( x) y q( x) y f ( x) (6.2) y p( x) y q( x) y f1( x) f2( x) 的解
又
y2 tan x 常数, y1
y C1 cos x C2 sin x是所给方程的通解.
15
2. 非齐线性微分方程解的结构 定理9.2 (二阶非齐次线性方程(2)的解的结构)
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)对应的齐次线性方程(1) 的通解, 那么 y Y y* 是二阶非齐次线性微 分方程(2)的通解.
使得
则称这 n个函数在 I 上线性相关；否则称为 线性无关.
8
例3 下列各函数组在给定区间上是线性相关
还是线性无关？
(1) e x，e x , e2x ( x (,)); 线性无关
解 若 k1e x k2e x k3e2x 0, 则 k1e x k2e x 2k3e2x 0, k1e x k2ex 4k3e2x 0,
y C( y1 y2 ) y1
25
16
例6 设 y1, y2 , y3 是微分方程 y p( x) y q( x) y f ( x)
的三个不同解，且 y1 y2 常数， y2 y3
则该微分方程的通解为( D ).
( A) C1 y1 C2 y2 y3; (B) C1( y1 y2 ) C2( y2 y3 ); (C) C1 y1 C2 y2 C3 y3; ( D) C1( y1 y2 ) C2( y2 y3 ) y3.
Unit 2 Key 3 线性微分方程组的通解(上)
Unit2 key 3线性微分方程组的通解（一）这堂课的主要研究对象是定义在区间[,]a b 上的矩阵形式的一阶线性微分方程组()()dx A t x f t dt=+ （1） 其中()(())ij n n A t a t ⨯= ，表示n 阶矩阵函数12n x x x x =⎛⎫ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭M ，12()()()()n f t f t f t f t =⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭M 表示n 元向量函数 当(),]f t a b 在区间[上不恒为零时，（1）式称为是非齐次线性微分方程组； 当()0,[,]f t t a b ≡∈，得到()dx A t x dt= （2） 称为齐次的线性微分方程组。
在上一堂课，我们证明了本单元的理论基础——线性方程组解的存在唯一性定理。
叙述如下：如果方程组（1）中的()A t 和()f t 在区间[,]a b 上连续，那么对任意的0[,]t a b ∈和任意的n 元列向量0x ，初值问题 00()()()dx A t x f t dty t x =+=⎧⎪⎨⎪⎩在区间[,]a b 存在唯一解。
在讨论非齐次线性微分方程组的解之前我们先讨论齐次线性微分方程组（2）的解。
下面的定理刻画了齐次线性微分方程组的通解结构。
定理A ：齐次线性微分方程组（2）的解集S 构成数域F 上的n 维线性空间。
要证明一个集合是一个n 维线性空间需要说明下面两个问题：（I ）S 是个线性空间（2）S 的维数等于n ，这等价于：S 中存在n 个线性无关的解，而且S 中任意一个解都可以表示成这n 个解的线性组合。
下面我们把这定理分解成几个引理来证：引理1（叠加原理）：设12(),()t x t x 是齐次线性方程组(2)的任意两个解，,F αβ是数域上的任意两个数 ，则它们的线性组合12()+()x t x t αβ也是方程组（2）的解。
事实上，根据导数的线性性质，我们得到[]1212()+()()()=x x x t dx x dx t dx dt dt dt αβαβ+又因为12(),()t x t x 是方程组(2)的解，所以121212()+()()()()()()()()[]x t x t dx x dx t A t x t A t x t A t dt dtαβαβαβ+=+= 从而引理1的结论正确，这说明方程组（2）的解集S 关于加法和数乘运算是封闭的。
阶线性微分方程解的结构与通解性质
稳定性应用举例
控制系统设计
在控制系统中，稳定性是至关重要的指标。通过设计控制器使 得系统达到稳定状态，可以确保系统的正常运行和安全性。
生态学研究
在生态学中，研究生物种群的动态变化时，稳定性是一个重要概念。通过 分析种群的稳定性，可以预测种群的发展趋势和制定相应的保护措施。
经济学分析
在经济学中，稳定性与经济增长、通货膨胀等宏观经济指标密切相关 。通过分析经济系统的稳定性，可以为政策制定者提供决策依据。
微分方程是描述自然现象、工程技术和社会科学等领域中变量间关系的数 学模型。
微分方程按照自变量个数可分为常微分方程和偏微分方程，其中常微分方 程研究一个自变量的函数与其导数之间的关系。
微分方程在物理学、化学、生物学、经济学等领域有广泛应用。
线性微分方程定义
线性微分方程是指关于未知函数及其各 阶导数都是一次方的方程，即方程中不 会出现未知函数及其导数的二次及以上 的项。
高阶线性微分方程的通解表达式较为复杂， 一般通过特征方程、比较系数等方法求解。
通解性质分析
唯一性
对于给定的初始条件，线性微分方程的通解是唯一的。
叠加性
若y1和y2分别是线性微分方程对应于f1(x)和f2(x)的特解，则 y=c1y1+c2y2（c1、c2为任意常数）也是该方程的解。
齐次性
若y1和y2是齐次线性微分方程的解，则它们的线性组合c1y1+c2y2 （c1、c2为任意常数）也是该方程的解。
积分因子法
通过构造一个积分因子$mu(x) = e^{int p(x)dx}$，将原方程转化为$mu(x)y' + mu(x)p(x)y = mu(x)q(x)$，即 $(mu(x)y)' = mu(x)q(x)$，然后两边积分得到通解。
一阶线性微分方程的概念与解的结构
第六章 微分方程初步
第三节 一阶线性微分方程
例 8 求方程 2y - y = ex 的通解. 解法一 使用常数变易法求解． 将所给的方程改写成下列形式：
1 1 x y y e , 2 2
这是一个线性非齐次方程，它所对应的线性齐次方 程的通解为 x
y Ce 2 ,
设所给线性非齐次方程的解为 y C( x)e , 将 y 及 y 代入该方程，得
设所给线性非齐次方程的通解为
1 y C( x) . x
将 y 及 y代入该方程，得
1 1 (x C ) cos x , x x
于是，有
C ( x ) cos x d x sin x C .
因此，原方程的通解为
1 C1 y (sin x C ) sin x . x x x
dz n dy ( 1 n )y dx dx
dz ( 1 n ) p ( x ) z ( 1 n ) Q ( x ) 化简为 dx
dy y 2 例 求方程 a (ln x )y 的通解. dx x
方程
dy n p ( x )y Q ( x )y dx
称为伯努利方程。当n=0或1时，该方程是线性方
程；当n≠0或1时，该方程不是线性的，但是通过
变量替换，可以把它化为线性的。
如以yn除以方程两边，得
dy 1 n y p ( x ) y Q ( x ), dx
线性微分方程解的性质
线性微分方程解的性质一、线性微分方程的解的结构1.1二阶齐次线性方程y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = 0 (1)y''+P(x)y'+Q(x)y=0 \tag{1} y′′+P(x)y′+Q(x)y=0(1)定理1：如果函数 y 1 ( x ) y_1(x) y1(x)与 y 2 ( x ) y_2(x)y2(x)是方程（1）的两个解，那么y = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) (2) y=C_1y_1(x)+C_2y_2(x) \tag{2} y=C1y1(x)+C2y2(x)(2)也是方程（1）的解，其中 C 1 , C 2 C_1,C_2 C1,C2是任意常数。
解（2）从形式上看含有C1C_1C1和C2C_2C2两个任意常数，但它不一定是方程（1）的通解。
那么在什么情况下（2）式才是方程（1）的通解呢？要解决这个问题，还得引入新概念，即函数组的线性相关与线性无关。
设 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) , ⋅⋅⋅ , y n ( x )y_1(x),y_2(x),···,y_n(x) y1(x),y2(x),⋅⋅⋅,yn(x)为定义在区间 I I I上的n个函数，如果存在n个不全为零的常数 k 1 , k 2 , ⋅⋅⋅ , k n k_1,k_2,···,k_n k1,k2,⋅⋅⋅,kn，使得当x ∈ I x\in I x∈I时有恒等式k 1 y 1 + k 2 y 2 + ⋅⋅⋅ + k n y n = 0k_1y_1+k_2y_2+···+k_ny_n=0 k1y1+k2y2+⋅⋅⋅+knyn=0成立，那么称这n个函数在区间I上线性相关；否则线性无关。
应用上述概念可知，对于两个函数的情形，它们线性相关与否，只要看它们的比是否为常数；如果比为常数，那么它们就线性相关；否则就线性无关。
二阶线性微分方程解的结构
因而线性无关, 故原方程通解为
代入初始条件 故所求特解为
微分方程解的结构 齐次线性微分方程的通解结构 非齐次线性微分方程的通解结构
1.下列函数组哪些是线性相关的？哪些是线性无关的？
（1） 2x, x 1
（2） sin x,cos x
（3） e x , e1 x
（4） 1, x3
（5） sin 2x, sin x cos x
但是
并不是通解
为解决通解的判别问题, 下面引入函数的线性相关与 线性无关概念.
定义9.6
线性相关
存在不全为 0容易看出 x 3x 线性相关， e x e 3x 线性无关
定理 9.2
是二阶线性齐次方程的两个线
性无关特解, 则
数) 是该方程的通解. (自证)
例如, 方程
有特解
2．验证 y1 cos x 及 y2 sin x 都是方程
y '' 2 y 0 的解，并写出该方程的通解。
3．验证
y
C1
cos
x
C2
sin
x
x 2
cos
x
是微分方程
y y sin x 的通解．
4．证明：若 y y1( x) 是线性方程 y p( x) y 0
的解，则 y Cy1( x) (C 为任意常数）也是该方程的解，
并写出这个方程。
应用微积分
应用微积分
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
定理 9.1 若函数
是二阶线性齐次方程
的两个解, 也是该方程的解. (叠加原理)
证
为任意常数） 代入方程左边, 得
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,
线性方程解的结构
由于 y1 ( x ) = 3 y 2 ( x )
⇒ y1 = ln x 3 , y 2 = ln x
在任一区间(0,b)上都是线性相关的
定理 2：如果 y1 ( x )与 y 2 ( x ) 是方程(1)的两个线性无关 的特解, 那么 y = C1 y1 + C 2 y2 就是方程(1)的通解.且包 含了所有的解。
′ + Q ( x ) y1 = 0 由已知y1 ' '+ P ( x ) y1 证 明： y2 ' '+ P ( x ) y ′ 2 + Q( x ) y2 = 0
c1 (1) + c 2 ( 2)即得
(1) ( 2)
′ + c 2 y 2 ' ) + Q( x )(c1 y1 + c 2 y 2 ) = 0 ( c1 y1 ' '+ c 2 y 2 ' ' ) + P ( x )(c1 y1
y1 ( x ) 特别地: 若在 I 上有 ≠ 常数， y2 ( x ) 则函数 y1 ( x )与 y2 ( x ) 在 I 上线性无关.
定理 2：如果 y1 ( x )与 y 2 ( x ) 是方程(1)的两个线性无关 的特解, 那么 y = C1 y1 + C 2 y2 就是方程(1)的通解.且包 含了所有的解。
k1 y1 + k 2 y2 + L + kn yn = 0，
那么称这 n 个函数在区间 I 内线性相关．否则 称线性无关
例如 当x ∈ ( −∞ , + ∞ )时， e x， e − x , e 2 x 线性无关
1，cos 2 x , sin 2 x 线性相关
微分方程解的结构总结
微分方程解的结构总结一、常微分方程的解的结构常微分方程是指只涉及一个未知函数及其导数的微分方程。
在常微分方程的解的结构方面，我们有以下几个重要结论：1. 叠加原理：如果一个常微分方程有两个解，那么它们的线性组合也是该方程的解。
这意味着我们可以通过已知的解构造出新的解。
2. 初始条件的影响：常微分方程通常需要给定初始条件才能确定特定的解。
不同的初始条件会得到不同的解，这反映了解的结构的多样性。
3. 解的存在唯一性：对于某些常微分方程，解的存在唯一性是成立的，也就是说只有一个解满足给定的初始条件。
这种情况下，解的结构相对简单明确。
二、线性微分方程的解的结构线性微分方程是指未知函数及其导数的线性组合等于已知函数的微分方程。
线性微分方程的解的结构更加复杂，我们有以下重要结论：1. 叠加原理：对于线性微分方程，它的解也满足叠加原理。
如果一个线性微分方程有两个解，那么它们的线性组合也是该方程的解。
2. 齐次线性微分方程的解的线性空间性质：齐次线性微分方程是指其右端项为零的线性微分方程。
对于齐次线性微分方程，它的解构成一个线性空间。
这意味着我们可以通过已知的解构造出线性空间中的其他解。
3. 非齐次线性微分方程的解的结构：非齐次线性微分方程是指其右端项不为零的线性微分方程。
对于非齐次线性微分方程，它的解由齐次方程的通解和非齐次方程的一个特解之和构成。
这可以通过叠加原理和线性空间性质得出。
三、特殊微分方程的解的结构除了常微分方程和线性微分方程外，还有一些特殊的微分方程，它们的解的结构也有一些特殊性质：1. 可分离变量的微分方程：可分离变量的微分方程可以通过分离变量的方法求解。
解的结构相对简单，可以通过分离变量再积分得到。
2. 齐次微分方程：齐次微分方程的右端项可以通过变量替换转化为常数项，从而得到其解的结构。
3. 一阶线性微分方程：一阶线性微分方程可以通过积分因子法求解。
解的结构可以通过积分因子的选择和积分的方法得到。