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 > 8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)
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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
-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
-期末考试--期末考试