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8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)在线视频

8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)

下一节:8.4.1 常系数微分方程简单应用举例(1)

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8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)课程教案、知识点、字幕

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

我们知道二阶常系数

非齐次线性微分方程的

变动任意常数法

最后是将问题

转化成了求两个不定积分

如果方程的右端项fx

是特殊类型的函数

我们还有一种可以避免

求不定积分的求解方法

这就是本讲要介绍的

二阶常系数非齐次微分方程的

待定系数法

我们首先来看

自由项是多项式Pnx

乘上指数函数1的μx方的二阶常系数

非齐次线性方程的待定系数法

我们知道在求解二阶常系数

非齐次线性微分方程时

因为它对应的齐次方程

可以用特征法求得它的通解

所以为了要求非齐次方程通解

主要就是求它的一个特解

在自由项fx取特殊的形式时

我们就可以利用待定系数法的想法

来求非齐次方程的一个特解

当自由项是Pnx乘上e的μx方时

下面我们考虑这个微分方程

也就是y的二阶导加上a乘上y的一阶导

加上b乘上y

等于Pnx乘上e的μx方

在这Pnx表示的是一个n次多项式

μ是一个实数

我们知道多项式与指数函数

他们的乘积求导之后

仍然是多项式与指数函数的乘积

也就是说这类函数

它的导函数

与函数本身在形式上是一样的

所以我们可以假设

下边这个微分方程

它既有一个这样的特解形式

也就是它的特解

也就是y*x等于Qx乘上e的μx方

在这Qx表示的是一个多项式

我们对y*x求一阶导以及二阶导

就会得到它们的一阶导

和二阶导的表达式

我们将y*x y*′x以及y*′′x的表达式

代入原来的非齐次微分方程

并进行整理

我们就会得到Q′′x加上括号里面

两倍的μ加上a

再乘上Q′x

再加上μ方加上a乘上μ再加b

再乘上Qx等于Pnx

在上边这个等式中

等号的左侧和右侧

都是多项式函数

我们知道多项式函数相等

它的必要条件

首先是他们的次数相同

所以当μ不是齐次方程的特征根时

也就是μ方加上aμ加b不等于0时

那么Qx它就应该是一个

与pnx次数相同的多项式

所以Qx就是一个n次多项式

如果μ是齐次方程的单特征根

也就是μ方加ab的μ加b等于0

但是两倍的μ加上a

它不等于0

这个时候Q′x与pnx的次数

就应该相同

所以Qx就应该是一个n加1次的多项式

由于在等式中

它的常数项并不出现

所以它的常数项可以是任意实数

如果μ是齐次方程的重特征根

也就是说这个时候

μ方aμ加上b等于0

同时两倍的μ加上a也等于0

这时候就是说明

Q′′x与pnx的次数应该相同

所以Qx应该就是一个n加2次的多项式

同样的它的常数项和一次项的系数

是两个任意常数

我们将上边

这个结论写成下面的一个定理形式

定理6 二阶常系数线性非齐次方程

它的一个特解形式是y*x

就等于xk次方乘上Qnx

再乘上e的μx次方

在这Qnx就是一个与pnx次数相同的

n次多项式

而k的取值是分下面三种情况进行取值

如果μ不是齐次方程的特征根

我们就将k的值取成0

如果μ是齐次方程的单特征根

我们就将k的值取作1

当μ是齐次方程的重特征根时

k的取值就是2

在这个特别形式中n次多项式

是由n加1个系数

这就是我们的待定系数

在具体求解时

我们将y*x代入原来的非齐次方程

并比较两个多项式对应项的系数

就可以得到待定系数

满足的一个线性方程组

求解这个线性方程组

就可以把待定系数的值求出

从而就会得到它的一个特解

y*x的具体表达式

也就得到了非齐次方程的通解表达式

我们这种求

常系数非齐次线性方程特解的方法

就是平时说的待定系数法

也就是说如果我们记

齐次微分方程的通解

是C1乘上y1x

加上C2乘上y2x

那么我们要求的非齐次方程的通解就是

yx等于y*x加上C1乘上y1x

再加上C2乘上y2x

齐次方程的通解

是利用二阶常系数

齐次线性方程的特征解法得到的

下面我们来看几道例题

例1

我们求微分方程y′′

加上y′减掉2倍的y

等于e的2x方的通解

首先我们来求解它对应的齐次方程

齐次方程的特征方程是

λ的方加上λ的减2等于0

两个特征根分别是λ等1和λ等负2

所以齐次方程的通解

就是C1乘上e的x方

加上C2乘上e的负2倍x次方

在这我们的右端项是一个零次多项式

再乘上一个指数函数

而且指数函数的方次上

这个2并不是特征根

那么根据待定系数法

我们设特解的原则

我们就可以将这个非齐次方程的一个特解

设成是y*等于x的0次方

再乘上一个一般的0次多项式

再乘上指数部分e的2倍x方

也就是y*等于A乘上e的2倍x方

我们将y* y*′ y*′′

代入非齐次方程

就会得到4倍的A乘上e的2倍x方

等于e的2倍x方

也就是A等4分之1

这样我们就得到了它的一个特别式

4分之1倍的e的2倍x方

那么根据解的结构

我们也就得到了非齐次方程的通解

就等于它对应的齐次方程的通解

再加上它的一个特解

也就是C1乘上e的x方

加上C2乘上e的负的2倍x方

再加上4分之1倍的e的2倍x方

下面我们来看第二道例题

我们求微分方程y′′减掉2倍的y′

加上y等于4倍x乘上e的x方的通解

首先我们来

求解它对应的齐次方程的通解

我们知道

对应的齐次方程的特征方程

就是λ方减去两倍λ加上1等于0

所以它的特征根是一个重根

是λ等1

因为非齐次方程的右端项

是一个一次多项式

乘上指数函数e的x方的形式

在这e的x方

那么x的系数是1

1正好是它对应的齐次方程的重特征根

根据待定系数法

设特解的基本原则

我们可以假设这个非齐次方程的

一个特解形式就是

y*等于x平方乘上

一个一般的一次多项式

ax加b再乘上指数因子

e的x次方

我们将y* y*′以及y*′′

它们的表达式

代入原来的非齐次方程

并进行整理就会得到括号里面6ax

加上2倍b再乘上e的x次方

等于4倍x乘上e的x次方

我们比较等式左右两端

e的x方的系数

以及根据一次多项式相等

他们的对应项的系数

应该相等

我们就会得到6a就等于4

2倍的b就等于0

也就是说a就等于3分之2

b就等于0

这样我们就得到了

这个非齐次方程的一个特解

是y*等于3分之2倍的x3次方

乘上e的x次方

又因为相应的齐次方程的通解是

y等于C1加上C2x

括起来乘上e的x方

这样我们就得到了

非齐次方程的通解

就是它对应的齐次方程的通解

加上它的一个特解

就是加上3分之2倍的

x的3次方

再乘上e的x次方

下面我们来看第3道例题

我们写出下面这个微分方程的

一个特解形式

这个方程它的左端是y′′减去y

右端是e的x方加上1

这是一个二阶常系数线性非齐次方程

它的自由项有两项的和构成

这个方程对应的齐次方程

它的两个特征根我们容易求出

分别是正1和负1

我们为了求得它的一个特解形式

我们首先考虑非齐次方程

y′′减去y等于e的x方

因为在这

右端项是一个0次多项式

乘上一个指数函数的形式

而指数函数的x的系数是1

它正好是一个单特征根

所以根据待定系数法

我们设特解的原则

它的一个特解形式就是x的e次方

乘上一个一般的0次多项式

再乘上指数因子e的x方

也就是ax乘上e的x次方

我们再考虑另外一个非齐次微分方程

这个方程它的右端项是1

可以看作是一个右端项为0次多项式

乘上一个指数函数的形式

指数函数的指数是0次

因为0并不是它对应的齐次方程的特征根

所以它的一个特解

我们可以设为是x0次方

再乘上一个一般的0次多项式

也就是说它的一个特点

我们可以设作是一个常数b

我们根据

线性微分方程它解的叠加原理

我们就得到了右端项是e的x方加1的

这个非齐次方程的一个特解形式是

y*就等于ax乘上e的x方加上b

这是我们处理自由项

是由几项构成的

非齐次方程的特别问题时

我们常用的处理方法

下面我们来看自由项是多项式Px

乘上指数因子e的αx次方

再乘上一个cosβx因子

当自由项是这个形式时

那么二阶常系数

非齐次线性微分方程的待定系数法

是怎么样的

对于右端项是这个形式的微分方程

我们一般把它的一个特解形式

就设作是y*等于x的k次方

乘上e的αx次方

再乘上括号里面是一个n次多项式

Qnx乘上cosβx

再加上另外一个n次多项式

Wnx乘上sinβx

其中Qnx和Wnx

表示的是两个一般的n次多项式

这里牵扯到2n加2的待定系数

在这个表达式中

Qnx和Wnx是两个一般的n次多项式

一共牵扯到2n加2个待定系数

x的k次方中

k的取值方式是如果α加减i倍的β

这个复数

不是齐次方程的特征根

我们的k就取作0

如果α加减i倍的β

正好是齐次方程的特征根

我们就将k的值取作1

我们就将y*x以及y*′x和y*′′x

它的表达式

代入原来的非齐次微分方程

首先根据cosβx和sinβx

它前面的系数应该相等

再进一步根据n次多项式相等

它的对应项系数

应该相等

我们就能够得出ak和bk

这n加2个待定系数

满足的线性方程组

通过求解线性方程组

就会求出待定系数ak和bk的值

从而也就得到了

非齐次方程的一个特解

同样的考虑

如果二阶线性常系数非齐次微分方程

它的自由项是一个n次多项式Pnx

乘上指数因子e的αx次方

再乘上一个三角函数sinβx时

它的特别形式仍然是y*x

等于xk次方

乘上e的αx次方

再乘上括号里面一个n次多项式

knx乘上cosβx

加上另外一个n次多项式Wx

乘上sinβx

在这k的取值方式

与上边我们介绍的情况是一样的

下面我们来看一道例题

例4 我们求微分方程

y′′加上y等于x乘上cos2x的通解

在这个非齐次方程中

它的右端项就是一个一次多项式

再乘上一个指数因子e的0次方

再乘上一个三角函数

cos2x的形式

对于这个方程

我们首先求解它对应的齐次方程

它对应的齐次方程的特征根

我们容易求出是λ等于正负i

那么齐次方程的通解

就是C1乘上cosx

加上C2乘上sinx

我们假设这个非齐次方程的一个特解是

一个一般的一次多项式

a1x加上b1乘上cos2x

再加上一个一般的一次多项式

a2x加上b2乘上sin2x

在这个非齐次方程中

因为正负2倍的a

并不是齐次方程的特征根

所以在设特解时

xk次方中的k

我们是取作0的

我们有了y*的一般表达式

我们就会求出y*的一阶导

和y*的二阶导

我们将y* y*一阶导

以及y*的二阶导

代入原来的非齐次微分方程

我们就会得到括号里面4a2

减去3倍的b1

再减去3倍的a1乘上x

再乘上cos2倍x

减去括号里面4a1加上3倍的b2

再加上3倍的a2x

再乘上sin2x

等于x乘上cos2倍x

首先我们比较等式两端cos2倍x的系数

利用一次多项式相等

对应项系数应该相等

所以我们就得到4倍的a2

减去3倍的b1应该等于右边这个

一次多项式的常数项

也就等于0

而负的3倍的a1

应该等于右边这个

一次多项式的一次方向的系数

就等于1

同时我们看一下等号左右两端

sin2x的系数

也应该相等

我们就得到了4a1加上3倍的b2

再加上3倍的a2x

应该永远是等于0的

所以这里一次多项式

它的常数项4a1加上3倍的b2

应该等于0

它的一次向系数3倍的a2也应该等0

这样我们就得到了待定系数

满足的一次方程组

我们就会解出a1 b1 a2和b2的值

我们代入特解形式

就会得到我们要求的特别式

负的3分之1倍的x

乘上cos2x

加上9分之4倍的sin2x

利用解的结构

我们就会写出我们要求的

非齐次方程的通解形式是

它对应的齐次方程的通解

再加上我们刚刚求出的

它的这一个特解

在这一讲中

我们介绍了右端项

是两类特殊函数的微分方程的待定系数法

待定系数法是根据方程右端项的形式

先设定非齐次方程的一个特解形式

将特解代入微分方程

通过比较对应项的系数

我们得到待定系数满足的

线性代数方程组

正确地写出特解形式

是运用待定系数法的关键

待定系数法将微分方程的求解问题

转化成了线性代数方程组的求解问题

使求解特定的

常系数非齐次微分方程的有效方法

下一讲将介绍微分方程

简单应用的两个例子

谢谢同学们

下一讲再见

微积分(先修课)课程列表:

第零章 绪论

-0.1 绪论

--0.1.1 绪论

第一章 极限

-1.1 极限概念引例

--1.1.1 极限问题举例

--第1.1节测试 极限概念引例

-1.2 极限的概念

--1.2.1 极限的概念(1)

--1.2.2 极限的概念(2)

--1.2.3 极限的概念(3)

--1.2.4 极限的概念(4)

--1.2.5 极限的概念(5)

--第1.2节测试 极限的概念

-1.3 极限的性质

--1.3.1 极限的性质(1)

--1.3.2 极限的性质(2)

--第1.3节测试 极限的性质

-1.4 极限的运算

--1.4.1 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

--1.5.1 夹逼定理与单调有界收敛定理(1)

--1.5.2 夹逼定理与单调有界收敛定理(2)

--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

--1.6.1 两个重要的极限(1)

--1.6.2 两个重要的极限(2)

--第1.6节测试 两个重要的极限

-1.7 无穷小量

--1.7.1 无穷小量(1)

--1.7.2 无穷小量(2)

--第1.7节测试 无穷小量

第二章 连续函数

-2.1 连续函数的概念

--2.1.1 函数在一点连续的概念

--2.1.2 在一点的单侧连续性

--2.1.3 间断点的分类

--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

--2.1.1 连续函数的运算性质

--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

--2.3.1 局部性质和零点存在定理

--2.3.2 闭区间上连续函数的性质

--第2.3节测试 连续函数的性质

第三章 导数与微分

-3.1 导数与导函数

--3.1.1 导数与导函数(1)

--3.1.2 导数与导函数(2)

--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

--3.3.1 导数的四则运算

--3.3.2 复合函数的链导法则

--3.3.3 反函数求导法

--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

--3.5.1 高阶导数

--第3.5节测试 高阶导数

第四章 微分中值定理和导数的应用

-4.1 极值和极值点

--4.1.1 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

--4.2.1 微分中值定理(1)

--4.2.2 微分中值定理(2)

--第4.2节测试 微分中值定理

-4.3 洛必达法则

--4.3.1 洛必达法则(1)

--4.3.2 洛必达法则(2)

--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

--4.4.1 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

--4.5.1 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

--4.6.1 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

--4.7.1 函数的凸性和拐点(1)

--4.7.2 函数的凸性和拐点(2)

--第4.7节测试 函数的凸性和拐点

-4.8 曲线的渐近线

--4.8.1 曲线渐近线

--第4.8节测试 曲线的渐近线

-4.9 泰勒(Taylor)公式

--4.9.1 泰勒(Taylor)公式(1)

--4.9.2 泰勒(Taylor)公式(2)

--4.9.3 泰勒(Taylor)公式(3)

--第4.9节测试 泰勒公式

-4.10 原函数与微分方程初步

--4.10.1原函数与微分方程初步(1)

--4.10.2 原函数与微分方程初步(2)

--第4.10节测试 原函数与微分方程初步

第五章 定积分

-5.1 定积分问题举例

--5.1.1 定积分问题举例

-5.2 定积分的概念

--5.2.1 定积分的概念(1)

--5.2.2 定积分的概念(2)

--第5.2节测试 定积分的概念

-5.3 定积分的基本性质

--5.3.1 定积分的性质(1)

--5.3.2 定积分的性质(2)

--第5.3节测试 定积分的性质

-5.4 微积分基本定理

--5.4.1 微积分基本定理(1)

--5.4.2 微积分基本定理(2)

--第5.4节测试 微积分基本定理

-5.5 定积分的几何应用

--5.5.1 定积分的几何应用(1)

--5.5.2 定积分的几何应用(2)

--第5.5节测试 定积分的几何应用

-5.6 定积分的物理应用

--5.6.1 定积分的物理应用

第六章 积分法与反常积分

-6.1 换元积分法

--6.1.1 换元积分法(1)

--6.1.2 换元积分法(2)

--6.1.3 换元积分法(3)

--第6.1节测试 换元积分法

-6.2 分部积分法

--6.2.1 分部积分法(1)

--6.2.2 分部积分法(2)

--第6.2节测试 分部积分法

-6.3 有理函数的积分法

--6.3.1 有理函数的积分法(1)

--6.3.2 有理函数的积分法(2)

--第6.3节测试 有理函数的积分法

-6.4 定积分应用举例

--6.4.1 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

--6.5.1 反常积分(1)

--6.5.2 反常积分(2)

--6.5.3 反常积分(3)

--6.5.4 反常积分(4)

--第6.5节测试 反常积分

第七章 无穷级数

-7.1 无穷级数

--7.1.1 无穷级数

--第7.1节测试 无穷级数

-7.2 正项级数

--7.2.1 正项级数

-7.3 比值判敛法和根式判敛法

--7.3.1 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

--7.4.1 一般项级数(1)

--7.4.2 一般项级数(2)

--第7.4节测试 一般项级数

-7.5 幂级数

--7.5.1 幂级数

-7.6 函数的幂级数

--7.6.1 函数的幂级数

--第7.6节测试 函数的幂级数

-7.7 泰勒级数

--7.7.1 泰勒级数

--第7.7节测试 泰勒级数

-7.8 幂级数的简单应用

--7.8.1 幂级数的简单应用

第八章 常微分方程

-8.1 一阶可求解常微分方程

--8.1.1 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

-- 8.2.1 一阶线性微分方程(1)

--8.2.2 一阶线性微分方程(2)

--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

--8.3.1 二阶线性常系数微分方程(1)

--8.3.2 二阶线性常系数微分方程(2)

--8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)

--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

--8.4.1 常系数微分方程简单应用举例(1)

--8.4.2 常系数微分方程简单应用举例(2)

期末考试

-期末考试

--期末考试说明

-期末考试--期末考试

8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)笔记与讨论

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