专题一(二阶常微分方程解法).docx
二阶微分方程:
d2y
dx2
P(x)dy
dx
?Q(x)y?f(x),
f(x)?0时为齐次
f(x)?0时为非齐次
二阶常系数齐次线性微分方程及其解法:(*)y??py??qy?0,其中p,q为常数;求解步骤:
1、写出特征方程:(?)r2?pr?q?0,其中r2,r的系数及常数项恰好是(*)式中y?,y?,y的系数
2、求出(?)式的两个根r1,r2
3、根据r1,r2的不同情况,按下表写出(*)式的通解
r1,r2的形式
(*)式的通解
两个不相等实根(p2?4q?0)
y?cer1x?cer2x
1 2
两个相等实根(p2?4q?0)
y?(c?cx)er1x
1 2
一对共轭复根(p2?4q?0)
r1???i?,r2???i?
? p 4q?p2
?? ,??
2 2
y?e?x(ccos?x?csin?x)
1 2
二阶常系数非齐次线性微分方程
y??py??qy?f(x),p,q为常数
mf(x)?e?xP(x)型,?为常数;
m
f(x)?e?x[P(x)cos?x?P(x)sin?x]型
l n
二阶常系数非齐次线性微分方程的一般形式是
y???py??qy?
其中p,q是常数。
f(x)
(1)
方程(1)的通解为对应的齐次方程
y??py??qy?0
的通解Y和方程(1)的一个特解y*之和。即
(2)
y?Y?y*.我们已解决了求二阶常系数齐
次线性方程通解的问题,所以,我们只需讨论求二阶常系数非齐次线性微分方程的特解y*
的方法。
下面我们只介绍当方程(1)中的f(x)为如下两种常见形式时求其特解y*的方法。
一、f(x)?e??xPm(x)型
由于方程(1)右端函数f(x)是指数函数e??x与m次多项式Pm(x)的乘积,而指数
函数与多项式的乘积的导数仍是这类函数,因此,我们推测:
y ?e Q
y ?e Q(x)
方程(1)的特解应为 (
y????e??xQ(x)?e??xQ?(x)
Q(x)是某个次数待定的多项式)
y???e??x?[?2Q(x)?2?Q?(x)?Q??(x)]
代入方程(1),得
e??x?[Q??(x)?(2??p)Q?(x)?(?2??p?q)Q(x)]?e??x?Pm(x)
消去e??x,得
Q??(x)?(2??
讨论
p)Q?(x)?(?2??p?q)Q(x)?
Pm(x)
(3)
210、如果?不是特征方程r ?
2
?2??p?q?0
pr?q?0的根。
即
由于Pm(x)是一个m次的多项式,欲使(3)的两端恒等,那未Q(x)必为一个m次
多项式,设为
Qm(x)?b0xm?b1xm?1?!?bm?1x?bm
将之代入(3),比较恒等式两端x的同次幂的系数,就得到以b0,b1,!,bm?1,bm为未知数的m?1个线性方程的联立方程组,解此方程组可得到这m?1个待定的系数,并得到特解
y??e??xQm(x)
220、如果?是特征方程r ?
2
pr?q?0的单根。
,但即?2??p?q?0 2??p?0
,但
即
欲使(3)式的两端恒等,那么Q?(x)必是一个m次多项式。
因此,可令
Q(x)?x?Qm(x)
并且用同样的方法来确定Q(x)的系数b0,b1,!,bm?1,bm。
? r
? r ?3
、如果 是特征方程
pr?q?0的二重根。
,且即?2??p?q?0
,且
即
2??p?0。
欲使(3)式的两端恒等,那么Q??(x)必是一个m次多项式
因此,可令
Q(x)?x2?Qm(x)
并且用同样的方法来确定Q(x)的系数b0,b1,!,bm?1,bm。
综上所述,我们有结论
f(x)
f(x)?e Pm(x)
如果 ,则方程(1)的特解形式为
y??xkQm(x)e??x
其中Qm(x)是与Pm(x)同次的多项式,k的取值应满足条件
??0 ?不是特征方程的根
?
k??