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微分方程中,二阶常系数线性方程解法?

寒江雪 2024-12-07 87

要解二阶常系数线性微分方程,我们考虑以下形式的方程:

\[ a y'' + b y' + c y = f(x) \]

\( a \), \( b \),和 \( c \) 是常数,且 \( f(x) \) 是已知函数,解这个方程的步骤如下:

微分方程中,二阶常系数线性方程解法?-笔记网

1、求解齐次方程:我们求解对应的齐次方程:

\[ a y'' + b y' + c y = 0 \]

为了找到齐次解 \( y_h \),我们假设解的形式为 \( y = e^{rx} \),将 \( y = e^{rx} \), \( y' = re^{rx} \),和 \( y'' = r^2 e^{rx} \) 代入齐次方程,我们得到:

\[ a r^2 e^{rx} + b r e^{rx} + c e^{rx} = 0 \]

由于 \( e^{rx} \neq 0 \),我们可以将整个方程除以 \( e^{rx} \):

\[ a r^2 + b r + c = 0 \]

这个二次方程被称为特征方程,特征方程的根 \( r_1 \) 和 \( r_2 \) 确定了齐次解的形式:

- \( r_1 \) 和 \( r_2 \) 是不同的实数,那么齐次解为:

\[ y_h = C_1 e^{r_1 x} + C_2 e^{r_2 x} \]

- \( r_1 = r_2 = r \)(一个重复根),那么齐次解为:

\[ y_h = (C_1 + C_2 x) e^{rx} \]

- \( r_1 \) 和 \( r_2 \) 是复数, \( r_1 = \alpha + \beta i \) 和 \( r_2 = \alpha - \beta i \),那么齐次解为:

\[ y_h = e^{\alpha x} (C_1 \cos(\beta x) + C_2 \sin(\beta x)) \]

2、求解非齐次方程:对于非齐次方程 \( a y'' + b y' + c y = f(x) \),我们需要找到一个特解 \( y_p \),特解的形式取决于 \( f(x) \) 的形式,以下是一些常见情况:

- \( f(x) \) 是多项式,指数,正弦,余弦,或这些函数的组合,我们使用待定系数法来找到特解。

- \( f(x) \) 是任意函数,我们使用参数变易法来找到特解。

3、一般解:非齐次方程的一般解是齐次解和非齐次解的和:

\[ y = y_h + y_p \]

让我们通过一个例子来说明这个过程,考虑方程:

\[ y'' - 3y' + 2y = e^x \]

我们求解齐次方程:

\[ y'' - 3y' + 2y = 0 \]

特征方程为:

\[ r^2 - 3r + 2 = 0 \]

这个二次方程可以分解为:

\[ (r-1)(r-2) = 0 \]

根为 \( r_1 = 1 \) 和 \( r_2 = 2 \),齐次解为:

\[ y_h = C_1 e^x + C_2 e^{2x} \]

我们找到非齐次方程的特解,由于 \( f(x) = e^x \),我们假设特解的形式为:

\[ y_p = Axe^x \]

我们计算 \( y_p' \) 和 \( y_p'' \):

\[ y_p' = Ae^x + Axe^x = Ae^x (1 + x) \]

\[ y_p'' = Ae^x + Ae^x + Axe^x = Ae^x (2 + x) \]

将 \( y_p \), \( y_p' \),和 \( y_p'' \) 代入原方程,我们得到:

\[ Ae^x (2 + x) - 3Ae^x (1 + x) + 2Axe^x = e^x \]

\[ Ae^x (2 + x - 3 - 3x + 2x) = e^x \]

\[ Ae^x (-1 - x) = e^x \]

\[ A(-1 - x) = 1 \]

\[ A = -1 \]

特解为:

\[ y_p = -xe^x \]

一般解为:

\[ y = y_h + y_p = C_1 e^x + C_2 e^{2x} - xe^x \]

方程的解为:

\[ C_1 e^x + C_2 e^{2x} - xe^x \]

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