二阶线性常系数微分方程
二阶常系数线性微分方程
表9.2
f(x)的类型 f(x)=exPm(x) 为常数. f(x)=ex(Acosωx +Bsinωx) ,ω,A,B为常数. 取试解函数条件 试解函数y*的形式 y*=exQm(x) 不是特征根 是单特征根 是重特征根 iω ±iω不是特征 根 ±iω是特征根 y*=xexQm(x) y*=x2exQm(x)
注
y*=ex(Acosωx+Bsin ωx) y*=xex(Acosωx+Bsi nωx) Pm(x)=a0xm+a1xm-1+…+am-1x+am为已 知m次多项式 Qm(x)=b0xm+b1xm-1+…+bm-1x+bm为待 定m次多项式
例9.14 求方程 y'' 7y' +10y =12的通解. 解 例9.11已求出对应齐次方程的通解为 yc=C1e2x+C2e5x 下面求非齐次方程的一个特解.因f(x)=12,对应 于表9.2中=0(不是特征根),Pm(x)=12(零次多 项式).故设特解为y*=A,A为待定常数.将y*=A 代 入 所 给 方 程 的 A=6/5. 因 此 , 所 求 特 解 为 y*=6/5.于是,所给方程的通解为 y=yc+y*=C1e2x+C2e5x+6/5 其中C1,C2为任意常数.
其中C1,C2为任意常数.
2x
二,二阶常系数非齐次线性方程的通解 根据定理9.2(2),求非齐次线性方程(9.41)的 通解,归结为求(9.41)的一个特解y,及其对应齐次 方程(9.42)的通解y,则y=yc+y*即为(9.41)的通解.上 面已介绍求对应齐次方程(9.42)通解的办法,剩下 的问题是如何求非齐次线性方程(9.41)的一个特 解.
高数第4章第5节——二阶常系数线性微分方程
例3 已知 y = x 及 y = sinx 为某二阶齐次线性 微分 方程的解 , 求该方程 .
解
例4
解
(1)
由题设可得：
2 2
p( x)2x
0, 1
x3
p( x)( ) x2
f ( x),
解此方程组，得
p( x) 1 , x
线性相关
存在不全为 0 的
使
线性无关
常数
思考:
中有一个恒为 0, 则 必线性 相关
例如 y y 0, 有解 y1 cos x, y2 sin x,
复习: 一阶线性方程 通解:
齐次方程通解Y 非齐次方程特解
2.二阶非齐次线性微分方程解的结构
定理 4.5.3
是二阶非齐次方程 ①
的一个特解, Y (x) 是相应齐次方程的通解,则 ②
的方程称为二阶常系数齐次线性微分方程.
二阶常系数齐次线性方程解法
-----特征方程法
设 y erx , 将其代入上方程, 得
(r 2 pr q)erx 0
erx 0,
故有
特征方程
特征根
r1,2 p
p2 4q , 2
特征根
(1) 特征方程有两个不相等的实根
特征根为r1 p
6Ax 2B x,
A 1,B0, 6
原方程通解为
例13
解 对应齐次方程为 特征方程为 r 2 2r 1 0,
特征根为 r1 r2 1, 故对应齐次方程的通解为 Y (C1 C2 x)e x . 1 是特征方程二重根, 可设 y x2( Ax B)e x ,
代入原方程, 得 6Ax 2B x 1, A 1 , B 1 ,
二阶常系数线性微分方程
（1） y 2 y 15 y 0 y(0) 3, y(0) 1
（2） 4 y'' 4 y' y 0, y(0) 2, y'(0) 0
（3） y 25 y 0 y(0) 2, y(0) 5 3．求微分方程 y 2 y 2 y 0 的一条积分曲线，
应用微积分
为常数。①
因为 r为常数时 函数 和它的导数只差常数因子,
所以令①的解为
( r 为待定常数 ), 代入①得
②
称②为微分方程①的特征方程, 其根称为特征根.
1. 当
时, ②有两个相异实根
则微分
方程有两个线性无关的特解:
因此方程的通解为
2. 当
时, 特征方程有两个相等实根
则微分方程有一个特解
y 4 y 4 y 8e2x 的特解， 而特征方程为 特征根
y 4 y 4 y 6x2 特解为
y 4 y 4 y 8e2x 特解为
于是特解形式为
二
对非齐次方程
为特征方程的 k 重根 ( k = 0, 1), 则可设特解: 其中
例9.28 求 y y 4sin x 的通解.
解 特征方程为 通解 Y C1 cos x C2 sin x
可以证明
是微分方程的一个特解，且这两个解线性无关
因此原方程的通解为
3. 当
时, 特征方程有一对共轭复根
这时原方程有两个复数解:
利用解的叠加原理 , 得原方程的线性无关特解:
因此原方程的通解为
小结:
特征方程:
特征根
通
解
实根
例9.20 求方程 解 特征方程 因此原方程的通解为
例9.21 求解初值问题 解 特征方程
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,
高等数学(3年专科)第四节 二阶常系数线性微分方程-精选文档
又因为 y = Y + y*， y = Y + y*， 所以 y + p(x)y + q(x)y = (Y + y* ) + p(x)(Y + y* ) + q(x)(Y + y*) = (Y + p(x) Y + q(x)Y) + ( y* + p(x) y*+ q(x)y*) = f (x).
定理 1 如果函数 y1 与 y2 是线性齐次方程的 两个解， 则函数 y = C1 y1 + C2 y2
仍为该方程的解，其中 C1， C2 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， 所以有
y p ( x ) y q ( x ) y 0 , 1 1 1
即 y1 与 y2 之比为常数. 反之，若y1 与 y2 之比为常数，
y1 设 , 则 y1 = y2，即 y1 - 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；如果不是常数，则它们线性无关. 例如函 数 y1 = ex，y2 = e -x， 而 y1 常数， 所以，它们是线 y2 性无关的.
定理 2 如果函数 y1 与 y2 是二阶线性齐次方程 y + p(x)y + q(x)y = 0 的两个线性无关的特解， 则
y = C1 y1 + C2 y2
是该方程的通解，其中 C1, C2为任意常数. 证 因为 y1 与 y2 是方程 y + p(x)y + q(x)y = 0 的 解， 所以，由定理 1 知 y = C1 y1 + C2 y2 也是该方程的解. 又因为 y1 与 y2 线性无关，即 y1 与 y2 之比不为常数， 所以它们中任一个都不能用另一个 ( 形如 y1 = ky2 或 y2 = k1 y) 来表示. 故C1 与C2不能合并为一个任意常数， 因此 y = C1 y1 + C2 y2 是二阶线性齐次方程的通解.
二阶线性常系数微分方程
二阶线性常系数微分方程是一类重要的数学模型，它可以用来表示一些复杂的结构。
对于非齐次线性常系数微分方程而言，通过求解一个代数方程来得到其解的过程被称为“微分”。
而在线性常系数微分方程中，当且仅当两个解相等时才能确定方程是否为线性常系数微分方程。
1：二阶线性常系数微分方程的定义二阶线性常系数微分方程是因为其解的存在性，即无穷多的不可约表示的根构成的一整颗树。
例如：z= ax+by, t∈(-1,2)则是一个由三个向量加上常数项组成的矩阵“1”与两个边长为n和2/3的三角形共线，所以第一个行向量在原点垂直向下移动到第二个行向量上时满足下面的条件：a0>b12<b≤b101x=wx+yd=alogid, x:gn=intarpq ，且e、f均取值为整数，p也可以看作常数系数。
2：解法推导过程根据解法推导过程，二阶线性常系数微分方程的求解可以归结为以下三步：1.确定特征根2.分析特征根3.寻找通解通常来说，从求出其特征根开始，通过考察该特征根是否存在于满足一定条件的矩阵中即可得到通解。
具体到这个问题上，也就是要知道如何判断一个n×m阶方阵是否是一个m-2 元组或是n×2元组组成的方阵。
在这种情况下，如果所有向量都属于某个特定值所对应的空间或者全部只包含一种类型的子集，那么就意味着它具有该类能量；反之则不具有该类能量。
3：应用实例二阶线性常系数微分方程是一个重要的数学概念，它广泛用于研究函数、力学和其他相关领域。
解法推导过程如下：一、二阶线性常系数微分方程的定义二阶线性常系数微分方程是指具有三个导数项的非齐次方程，并且所有正整数都在无穷远处有唯一实数根，这样的方程被称为“对称三对角线”的形式。
二阶线性常系数微分方程可以用两个变量来描述，第一个变量称为λk,第二个变量称为u(x)，这样的方程被称为“严格三对角线型”的形式。
二阶线性常系数微分方程通常写成：X-Δα=Aφβ+Lαβ2jβ1叫做λk′′′x1×...imθβmjlnψ3θ4-θ2-m2jω+QSC、αy+qqz+pyasihszalskife+fdigitimatesimilarity文并不是按指数衰减的类型规范化了，而是用矩阵来表示的。
6-4二阶常系数线性微分方程
的通解,则
y Y(x) y*(x)
②
是非齐次方程①的通解 .
定理 4.
是二阶非齐次线性方程的
y p(x) y q(x) y f (x)
两个解, 则 y y2( x) y1( x) 是该它对应的齐次方程
的解.
y p(x) y q(x) y 0
(1) 当 r1 r2 时, 通解为 y C 1 er1 x C 2 er2 x
(2) 当 r1 r2 时, 通解为 y (C 1 C 2 x )er1 x
(3) 当 r1,2 i 时, 通解为
y e x (C 1 cos x C 2 sin x)
三、二阶常系数非齐次线性方程解的结构
k的取值分下面三种情况： (1) 当λ不是特征方程的根时，取k=0;
(2) 当λ是特征方程的根，但不是重根时，取k=1;
(3) 当λ是特征方程的重根时，取k=2.
例1.
的通解.
解:易求 y y 0 的特征方程
的特征根为
1 1, 2 1. 本题取λ=0. λ=0不是特征方程的根，
故取k=0. 设所求特解为
一、f ( x) e x Pn ( x) 型 y p y q y f ( x) (1)
为实数 , Pn( x)为 n 次多项式 .
Pn x a0 xn a1xn-1 an-1x an
可以证明方程(1)的特解具有形式
y* xk e x Qn ( x) ,
其中 Qn ( x) 是一个与 Pn(x)具有相同次数的多项式，
转化
求特征方程(代数方程)之根
对于二阶常系数齐次线性方程 ①
和它的导数只差常数因子,
所以令①的解为 y er x ( r 为待定常数 ), 代入①得
. 二阶常系数线性微分方程
§7.4 二阶常系数线性微分方程二阶常系数线性微分方程的一般形式为)(x f qy y p y =+'+''．这里p 、q 是常数，)(x f 是x 的已知函数．当()f x 恒等于零时，称为二阶常系数齐次线性微分方程，否则称为二阶常系数非齐次线性微分方程．1．二阶常系数齐次线性微分方程定理1 设)(1x y y =与)(2x y y =为二阶常系数齐次线性微分方程0=+'+''qy y p y(1)的相互独立的两个特解(即)()(12x y x y 不恒等于常数)，则2211y C y C y +=为方程(1)的通解，这里1C 与2C 为任意常数．证 按假设)(1x y 与)(2x y 为方程(1)的解，所以有下式成立0111=+'+''qy y p y ，0222=+'+''qy y p y ． 又 2211y C y C y +=， 2211y C y C y '+'='， 2211y C y C y ''+''=''． 代入(1)式左端，得()()()221122112211y C y C q y C y C p y C y C qy y p y ++'+'+''+''=+'+'' 0)()(22221111=+'+''++'+''=qy y p y C qy y p y C ． 即2211y C y C y +=为方程(1)的解． 在)()(12x y x y 不恒等于常数的条件下，2211y C y C y +=中含有两个相互独立的任意常数1C 和2C ，所以2211y C y C y +=是方程(1)的通解．由此定理可知，求方程(1)的通解问题，归结为求(1)的两个相互独立的特解．为了寻找这两个特解，注意到当r 为常数时，指数函数rx y e =和它的各阶导数只相差一个常数因子，因此不妨用rx y e =来尝试．设rx y e =为方程(1)的解，则rx r y e ='，rx r y e 2=''，代入方程(1)得.0)(2=++rx e q pr r由于0e ≠rx ，所以有.02=++q pr r (2) 只要r 满足(2)式，函数rx y e =就是微分方程(1)的解．我们把代数方程(2)称为微分方程(1)的特征方程，特征方程的根称为特征根．由于特征方程是一元二次方程，故其特征根有三种不同的情况，相应地可得到微分方程(1)的三种不同形式的通解．(ⅰ) 当042>-q p 时，特征方程(8-23)有两个不相等的实根1r 和2r ，此时可得方程(1)的两个特解：x r y 1e 1=， x r y 2e 2=，且≠=-x r r y y )(1212e /常数，故x r x r C C y 21e e 21+=是方程(1)的通解．(ⅱ) 当042=-q p 时，特征方程(8-23)有两个相等的实根21r r =，此时得微分方程(1)的一个特解x r y 1e 1=．为求(1)的通解，还需求出与x r 1e 相互独立的另一解2y ．不妨设)(/12x u y y =，则)(e 12x u y x r =， )(e 121u r u y x r +'='， )2(21121u r u r u e y x r +'+''=''． 将22,y y '及2y ''代入方程(1)，得 0])()2[(e 12111=++'++'+''qu u r u p u r u r u x r ．将上式约去x r 1e 并合并同类项，得0)()2(1211=+++'++''u q pr r u p r u ．由于1r 是特征方程(2)的二重根，因此，0121=++q pr r ，且021=+p r ，于是得0=''u ．不妨取x u =，由此得到微分方程(1)的另一个特解x r x y 1e 2=，且≠=x y y 12/常数，从而得到微分方程(1)的通解为x r x r x C C y 11e e 21+=，即)(e 211x C C y x r +=．(ⅲ) 当042<-q p 时，特征方程(2)有一对共轭复根βαi r +=1，βαi r -=2．于是得到微分方程(1)的两个特解x i y )(1e βα+=，x i y )(2e βα-=．但它们是复数形式，为应用方便，利用欧拉公式θθθsin cos e i i +=将1y 和2y 改写成)sin (cos e 1x i x y x ββα+=，)sin (cos e 2x i x y x ββα-=．于是得到两个新的实函数x y y y x βαcos e )(21211=+=， x y y iy x βαsin e )(21212=-=． 可以验证它们仍是(1)的解，且≠=x y y βtan /12常数，故微分方程(1)的通解为)sin cos (e 21x C x C y x ββα+=．综上所述，求微分方程(1)通解的步骤可归纳如下：第一步 写出微分方程(1)的特征方程02=++q pr r ，求出特征根； 第二步 根据特征根的不同形式，按照下表写出微分方程(1)的通解： 表1特征方程02=++q pr r 的根21,r r 微分方程0'''=++qy py y 的通解两个不等实根21r r ≠ x r x r C C y 21e e 21+=两个相等实根21r r = x r x C C y 1e )(21+=一对共轭复根βαi r ±=2,1 )s i n c o s (e 21x C x C y x ββα+=例 1 求微分方程043=-'+''y y y 的通解．解 所给微分方程的特征方程为0432=-+r r ．特征根为121, 4.r r ==- 于是，所求微分方程的通解为x x C C y 421e e -+=．例 2 求微分方程044=+'-''y y y 的满足初始条件1|,1|00='===x x y y 的特解．解 所给微分方程的特征方程为0442=+-r r ．特征根221==r r ．故所求微分方程的通解为)(e 212x C C y x +=．求导得x x C x C C y 22212e )(e 2++='．将初始条件1|0==x y 及1|0='=x y 代入以上两式求得.1,121-==C C 故所求特解为)1(e 2x y x -=．例 3 设函数)(x f 可导，且满足⎰⎰-++=xx t t f x t t tf x x f 00d )(d )(21)(． 试求函数)(x f .解 由上述方程知(0)1f =．方程两边对x 求导得⎰-='xt t f x f 0d )(2)(． 由此可得(0)2f '=．上式两边再对x 求导得)()(x f x f -=''．这是二阶常系数齐次线性方程，其特征方程为,012=+r特征根.,21i r i r =-= 于是，所求微分方程的通解为12()cos sin .f x C x C x =+由此得.cos sin )(21x C x C x f +-='由(0)1f =，(0)2f '=得.2,121==C C 所以.sin 2cos )(x x x f +=本节介绍的求二阶常系数齐次线性微分方程通解的原理和方法，也可以用于求解更高阶的常系数齐次线性方程．例 4 求四阶微分方程08)4(='+y y 的通解．解 所给微分方程的特征方程为084=+r r ，即,0)42)(2(2=+-+r r r r 其特征根为.31,2,04,321i r r r ±=-= 于是得方程的通解).3sin 3cos (e e 43221x C x C C C y x x +++=-2．二阶常系数非齐次线性微分方程从第二节的讨论知，一阶非齐次线性微分方程的通解等于对应的齐次线性方程的通解与非齐次线性方程的一个特解之和．而二阶常系数非齐次线性微分方程具有相类似的性质．定理2 设()y y x **=是二阶常系数非齐次线性微分方程)(x f qy y p y =+'+''(3)的一个特解，而Y 为对应于方程(3)的齐次线性微分方程的通解，则y Y y *=+为方程(3)的通解．由此结论可知，二阶常系数非齐次线性微分方程的通解，可按下面三个步骤来求：错误！未找到引用源。
二阶常系数线性微分方程
§6 二阶常系数线性微分方程
高阶线性微分方程在实际问题中应用比较多， 本节以讨论二阶线性微分方程为主，所得的结果 可以推广到二阶以上的线性微分方程。 定义 形如
d2y dy P( x) Q( x) y f ( x) 2 dx dx 的方程，称为二阶线性微分方程。
E-mail: xuxin@
(ii) 当 是单实根, 即2 + p1 + p2 = 0 , 但2 + p2 0. Q(x)是 m+1次多项式, 取常数项为零. Q(x) = x Qm(x)
y* xe Qm ( x)
x
E-mail: xuxin@
y (C1 C 2 x)e x .
因=1是特征方程的重根，Pm(x)=x+1,故特解形 式为： 2 x y* x e (ax b).
E-mail: xuxin@
代入原方程中得
6ax 2b x 1.
所以 从而有一特解为
1 1 a ,b . 6 2 1 1 y* x e ( x ). 6 2
上述结论可推广到n阶常系数非齐次线性微分方程.
E-mail: xuxin@
例6 求方程 y''+y=xcos2x 的通解. 解： 特征方程为 r2+1=0, 其根为r1,2= i, 所以对应齐次线性方程的通解为 y = C1cosx + C2sinx. 因 i =2i不是特征方程的根, P1(x)=x, Qn(x)0, 故可设特解为 y* = (ax+b)cos2x+(cx+d)sin2x y*'' = (–4ax+4c–4b)cos2x+(–4cx–4a–4d)sin2x
第五节 二阶常系数线性微分方程
(C ) C1 y1 C 2 y 2 ( 1 C1 C 2 ) y 3 ;
(89 考研 )
例3.已知微分方程 y p( x ) y q( x ) y f ( x ) 有三
x 2x y x , y e , y e , 求此方程满足初始条件 个解 1 2 3
第五节 二阶常系数线性 微分方程
二阶线性微分方程解的结构 常系数齐次线性微分方程的解 常系数非齐次线性微分方程的解
一、二阶线性微分方程解的结构 1、二阶线性微分方程
特点：关于未知函数及其各阶导数都是一次的. 1． n 阶线性微分方程的一般形式：
y
( n)
p1 ( x ) y
( n 1 )
y Y
y*
非齐次方程特解
对应齐次方程通解
关键: 求特解y*.
求特解的方法 — 待定系数法： 1. 根据 f (x) 的特殊形式 , 的待定形式；
2. 代入原方程比较两端表达式以确定待定系数 .
1、
f ( x ) e λ x Pm ( x ) 型
其中 为实数 ,
Pm ( x ) 为已知 m 次多项式 .
有特征重根：r1 r2 1 ,
t s ( C C t ) e 因此原方程的通解为 1 2
利用初始条件得
C1 4,
C2 2
于是所求初值问题的解为
例3. 求方程 y 2 y 5 y 0 的通解.
解： 特征方程为 r 2r 5 0 ,
2
2 4 20 1 2i , r1， 2 2 故所求通解为 y e x (C1 cos 2 x C2 sin 2 x ).
二阶常系数线性微分方程
下面考察二阶常系数非齐次线性微分方程解的结构
y ay by f ( x)
(9 30)
y ay by 0
(9 25)
定理9.2 如果 y( x) 是方程 ( 9 30) 的一个特解, Y 是
方程 ( 9 30) 对应齐次方程( 9 25) 的通解, 则方程
形如
y ay by 0
(9 25)
称为二阶常系数齐次线性微分方程, 其中a , b 为已知常数.
定义9.4 设 y1( x), y2( x)为定义在 (a,b)内的两个函 数. 如果存在非零常数k , 使得 y1( x) ky2( x), 则称 y1( x), y2( x) 线性相关, 如果对于任意常数k , y1( x) ky2( x), 则称 y1( x), y2( x) 线性无关.
故方程的通解为
将 y ex 求导, 得
y ex , y 2ex ,
把 y, y, y 代入齐次线性微分方程中,
(2 a b)ex 0
由于 ex 0,
所以
2 a b 0
(9 27)
只要 是上方程的根，y ex 就是微分方程的解.
方程 2 a b 0 称为齐次线性微分方程的特征方程.
(9 30) 的通解为
y(x) Y y(x)
(9 31)
y ay by 0的通解
y ay by f ( x)的一个特解
归纳
对线性方程组Ax = b，它的通解：
x k11 k22 knr nr
齐次方程通解
非齐次方程特解
对一阶线性微分方程y P( x) y Q( x)，它的通解：
特征方程的根为
1,2 a
《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)
8.5二阶常系数线性微分方程
= er1x (2r1 + p) + xer1x (r12 + pr1 + q) = 0 , 即 xe r1x 是方程的解; xer1x = x 不是常数, 即 e r1x 与 er2 x 线性无关. er1x
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特征方程的根与通解的关系 方程r2+pr+q=0的根的情况 有两个不相等的实根: r1、r2 有两个相等的实根: r1=r2 有一对共轭复根: r1, 2=α±iβ 方程y′′+py′+qy=0的通解 y = C1er1 x + C2er2 x y = C1er1x + C2 xer1x y=eαx(C1cosβx+C2sinβx)
− p±
p 2 − 4q , 2
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特征方程的根与通解的关系 方程r2+pr+q=0的根的情况 有两个不相等的实根: r1、r2 方程y′′+py′+qy=0的通解 y = C1er1 x + C2er2 x
简要证明: 这是因为 函数 e r1x 和 er2 x 都是方程的解; er1x = e(r1 −r2 ) x 不是常数, 即 e r1x 与 er2 x 线性无关. er2 x
y = e− x (C1 cos 2x + C2 sin 2x)
由初始条件 y ( 0 ) = 1 , 得C1 = 1
y ′ = (e − x cos 2 x )′ + C 2 (e − x sin 2 x )′
= − e − x (cos 2 x + 2 sin 2 x ) + C 2 e − x ( − sin 2 x + 2 cos 2 x )
二阶常系数线性微分方程的解法
二阶常系数线性微分方程的解法一、二阶常系数线性微分方程的一般形式二阶常系数线性微分方程的一般形式为：$$y''+ay'+by=f(x)$$其中，$a$和$b$为常数，$f(x)$为一般函数，$y$为未知函数。
二、特征方程为了解二阶常系数线性微分方程，我们需要首先解决特征方程的问题。
特征方程是由原方程的常系数得到的，它的一般形式为：$$r^2+ar+b=0$$关于特征方程的特征根有以下三种情况：（1）特征根为不相等实数：$r_1\eq r_2$。
此时，原方程的通解为：$$y=c_1e^{r_1x}+c_2e^{r_2x}$$（2）特征根为相等实数：$r_1=r_2=r$。
此时，原方程的通解为：$$y=c_1e^{rx}+c_2xe^{rx}$$（3）特征根为共轭复数：$r_1=\\alpha+i\\beta$，$r_2=\\alpha-i\\beta$，其中$\\alpha$和$\\beta$均为实数，而且$\\beta\eq 0$。
此时，原方程的通解为：$$y=e^{\\alpha x}(c_1\\cos\\beta x+c_2\\sin\\beta x)$$其中，$c_1$和$c_2$均为常数。
三、常数变易法常数变易法是解非齐次线性微分方程的常用方法。
它的基本思路是先假设非齐次项的解为一个函数的形式，然后将它代入原方程，得到关于未知函数的一个代数方程，通过求解这个方程，就能得到非齐次方程的一个特解。
通过常数变易法，设非齐次项的解为$y_p(x)=u(x)v(x)$，其中$u(x)$和$v(x)$均为一般函数。
将$y_p(x)$代入原方程，得到：$$u''v+2u'v'+uv''+au'v+avu'=f(x)$$通过适当的选择$u(x)$和$v(x)$，可以让上式左边的部分消去。
一般可以选择$u(x)$和$v(x)$为特征方程的解，即$u(x)$和$v(x)$满足：$$u''+au'+bu=0$$$$v''+av'+bv=0$$此时，如果特征根为不相等实数或者共轭复数，$u(x)$和$v(x)$可以分别取不同的解，而如果特征根为相等实数，$u(x)$和$v(x)$需要取不同的线性无关解。
二阶常系数线性微分方程
可设 Q( x) = x2Qm ( x), y = x2Qm ( x)ex .
综上讨论 设 y = xkexQm ( x) ,
0 不是根 k = 1 是单根,
2 是重根
例5 求方程 y − 3 y + 2 y = xe2x 的通解.
解 特征方程 r 2 − 3r + 2 = 0,
特征根 r1 = 1，r2 = 2，
故所求通解为 y = (C1 + C2 x)e−2x .
例3 求方程 y + 2 y + 5 y = 0 的通解. 解 特征方程为 r 2 + 2r + 5 = 0 ,
解得 r1，2 = −1 2i ,
故所求通解为 y = e−x (C1 cos 2x + C2 sin 2x).
例 4 求微分方程 y − 2y −8y = 0 的通解
m = maxl, n，
特别地
0 k = 1
i不是根 i是单根.
当f ( x) = Aex cosx或Bex sin x时
设y = xkex[D1 cosx + D2 sinx]
例7 求方程 y + y − 2 y = −2sin x 的通解.
解 对应齐次方程通解 Y = C1e x + C2e−2x ,
2) 有两个相等的实根( = 0)
特征根为
p r1 = r2 = − 2 ,
一特解为 y1 = e r1x ,
设另一特解为 y2 = u( x)er1x ,
将 y2 ，y2 ，y2 代入原方程并化简，
u + (2r1 + p)u + (r12 + pr1 + q)u = 0,
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第八章
二阶常系数线性微分方程
y p y q y f( x )( p ,q 是常数）
一、二阶常系数齐次线性微分方程 二、二阶常系数非齐次线性微分方程
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一、二阶线性常系数齐次微分方程
ypyqy0(p ,q 为常 ) 数
基本思路: 求解常系数线性齐次微分方程
转化
求特征方程(代数方程)之根
若特征方程含 k 重实根 r , 则其通解中必含对应项
( C 1 C 2 x C k x k 1 ) e r x
若特征方程含 k 重复根 ri,则其通解中必含
对应项
e x [ ( C 1 C 2 x C k x k 1 ) co x s
(D 1 D 2 x D k x k 1 )six n ]
则方程通解 :
y (C 1 C 3x)co x (s C 2 C 4x)sixn
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二、
第八章
二阶线性常系数非齐次微分方程
y P ( x ) y Q ( x ) y f( x )
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1、常数变易法
复习: y p (x )yf(x )
y1(x)ep(x)dx
(以上Ci, Di均为任意常 ) 数
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例1. 求y 方 2 y 程 3 y 0 的通解.
解: 特征方程 r22r30,特征根: r1 1,r23,
因此原方程的通解为 yC 1exC 2e3x
例2. 求解初值问题
d2s dt2
2ds dt
s
0
st04,
ds dt
t 0 2
由于有两个待定函数, 所以要建立两个方程:
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y y 1 v 1y 2 v 2y1v1 y2v2
为y使 中不 v1 ,v2 ,含 令
y1v1 y2v2 0
⑤
于是 y y 1 v 1 y 2 v 2 y 1 v 1 y 2 v 2
将以上结果代入方程 ③ :
解: 特征方程 r22r10有重根 r1r21,
因此原方程的通解为 s (C 1 C 2t)e t
利用初始条件得
C14, C2 2
于是所求初值问题的解为 s(42t)et
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例3. 解方 y(4 ) 2 y 程 y 0. 解: 特征方程: r42r210
即(r21)20 特征根为 r1,2i, r3,4i
因此特y 原征 方p 方程y y 程的 e 通q r 2y 解x ( C 为p0 1 rc (qp o ,x q 0为 C s 2 s常 )ix ) n 数
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小结: ypyqy0(p ,q 为常 ) 数
特征方程: r2prq0, 特征:r根 1,r2
特征根
通
解
r1 r2 实根 r1r2 2p
r1,2i
yC 1er1xC 2er2x y(C 1C 2x)er1x
y e x ( C 1 co x C s 2 six ) n
以上结论可推广到高阶常系数线性微分方程 .
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推广:
y (n ) a 1 y (n 1 ) a n 1 y a n y 0(a k均为 ) 特征方程: r n a 1 r n 1 a n 1 r a n 0
方程有两个线性无关的特解: y1 er1x, y2 er2x, 因此方程的通解为 yC 1er1xC 2er2x
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2. 当 p24q0时, 特征方程有两个相等实根 r1 r2
p 2
, 则微分方程有一个特解
y1 er1x.
设另一特解 y2y1u(x)er1xu(x) ( u (x) 待定)
代入方程得:
er1 x [ (u2r1ur12u)p(ur1u)qu0
u ( 2 r 1 p ) u ( r 1 2 p r 1 q ) u 0
注意r1 是特征方程的重根 u0
取特y u征 = p 方x y ,程则 得q ry2y y2 (C p0 1 rx e(C qrp 12 x ,x ,q 0) 因为 er 此1x原方常 )程的通数 解为
对应齐次方程的通解: yCy1(x)
常数变易法: 设非齐次方程的解为 yy1(x)u(x)
代入原方程确定 u(x).
对二阶非齐次方程
y P ( x ) y Q ( x ) y f( x )
③
情形1. 已知对应齐次方程通解: y C 1 y 1 ( x ) C 2 y 2 ( x )
设③的解为 y y 1 ( x )v1(x) y 2 ( x )v2(x) ④ (v1(x)v,2(x)待)定
y1, y2 是对应
齐次方程的解
y1 v1 y2 v2 (y 1 P y 1 Q y 1 ) v 1
( y 2 P y 2 Q y 2 ) v 2 f ( x )
得
y 1 v 1 y 2 v 2 f(x )
⑥
因y1,y2线性无, 故关⑤, ⑥的系数行列式
W
y1 y1
y2 y2
0
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3. 当 p24q0时, 特征方程有一对共轭复根
r 1 i,r 2 i
这时原方程有两个复数解:
y1e(i)x e x(cx o isix n ) y2e(i)x e x(cx o is six n )
利用解的叠加原理 , 得原方程的线性无关特解:
y11 2(y1y2) excosx y221i(y1y2)exsinx
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二阶常系数齐次线性微分方程: ypyqy0(p ,q 为常 ) ①数
因r为 为常,数 函时 数 erx和它的导数只差常数因子,
所以令①的解为 y erx ( r 为待定常数 ), 代入①得
(r2p rq)erx0 r2prq0 ②
称②为微分方程①的特征方程, 其根称为特征根. 1. 当 p24q0时, ②有两个相异实根 r1, r2, 则微分
P10 目录 上页 下页 返回 结束
于是得 积分得:
v1W 1y2f, v2 W 1y1f
v 1 C 1 g 1 ( x )v 2 , C 2 g 2 ( x )
代入③ 即得非齐次方程2 y 1 g 1 ( x ) y 2 g 2 ( x )