当前课程知识点:微积分(先修课) > 第八章 常微分方程 > 8.3 二阶线性常系数微分方程 > 8.3.2 二阶线性常系数微分方程(2)
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课微积分课程
今天我们介绍第八章
常微分方程
第三节二阶常系数线性微分方程
我们知道有了二阶常系数
齐次线性微分方程的特征解法后
二阶常系数齐次线性
微分方程的求解问题
就得到的解决
在这一讲中
我们将介绍一种
利用齐次方程的通解
求得非齐次方程通解的方法
这就是变动任意常数法
我们首先来看二阶常系数
非齐次线性微分方程的
变动任意常数法
我们考虑非齐次线性微分方程
y二阶导加上ab的y的一阶导
加上b乘上y等于fx
在这个方程中ab是常数
函数fx是连续函数
我们假设它对应的齐次方程
它的通解就是yx
等于C1乘上y1x加上C2乘上y2x
在这个同时表达式里面
C1C2是两个常数
如果C1和C2总是两个常数
那么这个表达式它就是这个齐次方程的通解
如果我们要想使得这个表达式
满足原来的非齐次方程
那么C1C2它就应该是X的函数
所以我们假设yx等于C1x
乘上y1x
加上C2x乘上y2x
就满足原来的非齐次方程
我们对yx进行求导
并整理就会得到y的一阶导数
就等于C1的一阶导乘上y1
加上C2的一阶导乘上y2
再加上C1x
乘上y1的一阶导数
加上C2x乘上y2的一阶导数
因为我们要对y
还要求二阶导
也就是说如果我们不加其他的条件
那么最后的方程里边一定会出现C1x和C2x
这两个未知函数的二阶导数
由于C1x和C2x
是两个未知函数
在前面我们只是假设了
这个表达式它是满足非齐次方程的
这是其中的一个条件
为了确定这两个未知函数
我们应该还要加上另外一个条件
为了避免出现未知函数的二阶导数
我们就假设C1的一阶导乘上y1
加上C2的一阶导乘上y2
这个表达式是等于0的
这样我们对y1′再加求导
就会得到y的两阶导数
它的表达式
我们将yx y′x以及y′′x的表达式
代入原来的非齐次方程
并进行整理
我们就得到C1和C2满足的下面这个等式
也就是C1乘上括号里面y1的二阶导
加上a乘上y1的一阶导
再加上B乘上y1
再加上C2乘上括号里面y2的两阶导
加上a乘上y2的一阶导
再加上b乘上y2
最后就是加上C1的一阶导
乘上y1的一阶导
加上C2的一阶导乘上y2的一阶导
它等于fx
因为我们的y1 y2是齐次方程的解
也就是y1和y2分别满足齐次方程
所以我们前面这个等式
就会推出C1它的一阶导
乘上y1的一阶导
加上C2的一阶导再乘上y2的一阶导
就应该等于fx
考虑到前面我们对C1C2做的另外一个假设
这样我们就得到了未知函数
C1和C2满足的两个方程
也就是C1的一阶导乘上y1
加上C2的一阶导乘上y2
它应该等0
C1的一阶导
乘上y1的一阶导
再加上C2的一阶导
乘上y2的一阶导
就等于fx
这是一个关于两个问题函数
一阶导数满足的一次线性方程组
我们求解这个方程组
就会得到C1x它的一阶导数
和C2x它的一阶导数
它的表达式
我们对这两个一阶导数进行积分
就会得到C1x
和C2x的表达式
我们将C1x和C2x的表达式
代到yx表达式里面
我们就会得到yx就等于C乘上y1x
加上C1 ̄乘上y2x
再加上一个具体的函数
其中B和C1 ̄是两个任意常数
这就是我们得到的非齐次方程的通解形式
其中C乘上y1x
加上C1 ̄乘上y2x
它对应的齐次方程的通解
而后边这一个表达式
表示的是这个非齐次方程的一个特解
下面我们这种求解二阶常系数
非齐次方程的方法
一般就称为是变动任意常数法
我们得到的通解公式
进一步就说明了
常系数非齐次线性方程的通解
就等于它的一个特解
与它对应的常系数
齐次线性方程的同解之和
在我们前面的
变动任意常数法的求解过程中
我们曾经做了一个除法
也就是分母上出现了y1x
乘上y2x的一阶导数
减去y1的一阶导数乘上y2x
在b1乘上y1再加上C2乘上y2
是齐次方程的通解时
我们能够保证在分母上的表达式
是不会等于0的
所以在我们的整个求解过程中
所有的运算
都是有意义的
下面我们来看几道例题
例1 我们求下面这个微分方程的通解
微分方程式y的二阶导
加上y的一阶导
减去两倍的y
等于e的2倍x次方
我们知道这个方程对应的齐次方程
它的特征是λ平方加上λ
减去2等于0
特征方程的两个根式
λ等1和λ等负2
根据齐次方程的特征解法
我们就知道这个齐次方程的通解
也就是C1乘上1的x次方
加上C2乘上1的负2倍的x次方
我们根据变动任意常数法
我们就令y等于C1x乘上e的x次方
加上C2x乘上e的负的2倍x次方
是非齐次方程的解
我们求解C1的一阶导
乘上1的x方加上C2的一阶导
乘上e的2倍负x次方等于0
以及C1的一阶导
乘上e的x次方减掉2倍的C2一阶导
乘上e的负2倍x方
等于e的2倍x次方
在这个方程组中
第一个方程就是C1′乘上y1
加上C2′乘上y2等于0
第二个方程就是C1′乘上y1′
再加上C2′乘上y2′等于fx
我们求解这个方程组
就会得到C1的一阶导数
是3分之1倍的e的x次方
C2的一阶导是负的3分之1倍的
e的4x次方
我们做积分就会得到C1x
和C2x的表达式
我们将C1x和C2x的表达式
代到我们的y的表达式中
就会得到我们要求的非齐次方程的通解
就是y等于C乘上e的x次方
加上C ̄乘上e的负的2倍x次方
再加上4分之1倍的
e的2x次方
这个表达式中C和C ̄是两个任意常数
那么与C和C ̄这两项有关的表达式
表示的是齐次方程的通解
而后边这一个4分之1
e的2倍x次方
表示的是非齐次方程的一个特点
下面我们来看第二道例题
我们求下面这个微分方程的通解
方程式y的二阶导减去y
等于2倍的x乘上e的x次方
这个方程对应的齐次方程
它的特征方程是λ方减1等于0
它的两个特征根
分别是λ等正1和λ等负1
所以齐次方程的通解
就是C1乘上e的x次方
加上C2乘上e的负x次方
我们根据变动任意常数法
我们就令C1x乘上e的x次方
加上C2x乘上e的负x次方
是非齐次方程的解
我们求解C1的一阶导数
乘上e的x方
加上C2的一阶导数
乘上e的负x次方等0
以及C1的一阶导
乘上e的x次方
减去C2的一阶导乘上e的负x次方
等于2倍x乘上e的x
同样的在这个方程组中
第一个方程就是C1′乘上y1
加上C2′乘上y2等于0
第二个方程对应的就是
C1′乘上y1
加上C2′乘上y2等于fx
我们求解这个方程组
就会得到C1的一阶导是x
C2的一阶导就等于负x
乘上e的2倍x次方
我们积分就会得到C1x
和C2x的表达式
我们将C1x和C2x的表达式
代到通解的表达式中
就会得到我们要求的非齐次方程的通解是
y等于C乘上e的x次方
加上C ̄乘上e的负x次方
最后再加上4分之1倍的
e的x次方乘上括号里面2倍x平方
减去2倍x加1
同样的C和C ̄
是两个任意常数
与它有关的这个表达式
是对应的齐次方程通解
而后面这一项
与C无关的是非齐次方程的一个特解
下面我们来看第三道例题
我们求微分方程
y′′加上y等于tanx的通解
与例1 例2它的求解方法是一样的
这个非齐次方程
对应的齐次方程的特征方程是
λ方加1等于0
它的两个特征根
是λ等于正负i
那么齐次方程的通解
就是y等于C1乘上cosx
加上C2乘上sinx
根据变动任意常数法
我们就令C1x乘上cosx
加上C2x乘上sinx
是非齐次方程的解
我们求解C1它的一阶导
乘上cosx加上C2一阶导
乘上sinx等于0
负的C1的一阶导乘上sinx
加上C2的一阶导乘上cosx
就等于tanx
关于这个方程组
大家一定要知道它是怎么来的
我们求解这个方程组
就会得到C1的一阶导
和C2的一阶导的表达式
我们对C1的一阶导
和C2的一阶导做不定积分
就会得到C1x和C2x的表达式
我们将C1和C2的表达式
带到通解中
就会得到所求的非齐次方程的通解就是
y等于C乘上cosx
加上C1 ̄乘上sinx
减去cosx再乘上secx
加上tanx的自然对数
同样的C和C ̄是两个任意常数
与任意常数有关的
这两项构成的是齐次方程的通解
而与任意常数无关的最后一项
表示的则是非齐次方程的一个特解
下面我们来看最后一道例题
例4我们求微分方程y′′减去2倍的y′
加上y等于x分之e的x方的通解
在这非齐次方程对应的
齐次方程的特征方程
就是λ方减去2倍λ加1等于0
它的特征根是一个重根 λ等1
所以齐次方程的一个非0特解
就是y等于e的x次方
在这我们换一个具体的求解方法
这种方法用的仍然是
变动任意常数法的基本思想
我们假设yx就等于Cx乘上e的x方
满足非齐次方程
我们对yx进行求解
就会得到y′x的表达式
和y′′x的表达式
我们将yx y′x和y′′x的表达式
带到原来的非齐次方程中
并进行整理
就会得到C′′x
就等于x分之1
我们做一次不定积分
就会得到C的一阶导
就等于lnx加上C1
我们再做一次不定积分
就会了Cx的表达式
是x乘上lnx加上C1倍的x再加上C2
这样我们就得到了
非齐次方程的通解就是
yx等于Cx乘上e的x方
也就等于括号里面是x乘上lnx
加上C1x再加上C2乘上e的x次方
之所以说这个表达式
是非齐次方程的通解
是因为在这个表达式中
是有两个相互独立的任意常数
C1和C2
那么根据二阶微分方程通解的定义
它自然就是这个二阶微分方程的通解
在这个具体的求解过程中
我们是只用了齐次方程的一个非零解
再利用变动任意常数法的基本思想
就求出了非齐次方程的通解
在求解二阶线性非齐次方程时
这实际上也是一个常用的方法
在具体求解二阶线性非齐次微分方程时
根据解的结构
我们也可以利用变动任意常数法
只求出非齐次方程的一个特解
再利用它对应的齐次方程的通解
加上它的一个特解
就是这个非齐次方程通解的
这样的结论
也能写出我们要求的
非齐次方程的通解公式
在这一讲中我们介绍了
二阶常系数非齐次线性微分方程的
变动任意常数法
所谓变动任意常数法
就是将齐次方程通解中的任意常数
C1和C2看作是自变量的函数C1x和C2x
我们令yx满足非齐次方程
在增加的假设C1′乘上y1
加上C2′乘上y2等于0的条件下
我们得到了未知函数
C1C2满足的另外一个方程式
C1′乘上y1′加上C2′乘上y2′
就等于fx
这样就将非齐次方程的求解问题
分解成了求解一个线性方程组
与求两个不定积分的问题
变动任意常数是否有效
关键是看能否求出这两个不定积分
变动任意常数法是求解
非齐次线性微分方程的常用方法
下一讲将介绍二阶常系数
非齐次微分方程的待定系数法
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
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