当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第五章 常微分方程 > 第四节 高阶线性常系数微分方程 > 线性齐次微分方程的特征法举例
好 前面我们介绍了
线性常系数齐次微分方程的特征解法
在这一讲中
我们主要通过几个具体的例题
来看一下 怎么样利用特征解法
来求解具体的
线性常系数齐次微分方程
那我们第一个例题
先看一下这几个方程
第一个方程是y的两阶导
减掉4倍的y等于零
第二个方程也就是y的两阶导
加上y的一阶导再加y等于零
第三个方程 是y的两阶导
加上4倍的y的一阶导
加上4倍的y等于零
这是三个简单的
二阶线性常系数齐次微分方程
我们来看看 怎么样用特征法来求解它
第一个 也就是lemda方减4等于零
所以说 我们知道
它的lemda1 是等于2的
lemda2 是等于-2的
这就是它的两个特征根
根据我们的特征解法
我们知道 它的通解
应该就是c1乘上e的两倍x次方
再加上c2乘上e的负的两倍x次方
所以第一个方程利用特征法
我们通过简单计算 就得到了它的通解
第二个 这个方程的
特征方程我们写出来
应该是lemda方加上lemda加1等于零
那么我们来求它的解
它的lemda应该是等于负1加减根下
1减掉4 也就是这个样子 再除上2
实际上也就等于 负的二分之一
加减i倍的这个应该是二分之根3
也就是说 这个时候我们得到的
是它的一对共轭复特征根
那根据特征法
我们知道它的通解 应该就是
e的负的二分之x次方 乘上括号里面
c1 cos 二分之根三倍的x 再加上
c2 sin 二分之根三倍的x
这应该就是它的通解
这个通解 就带有复特征根的情况
第三个方程 第三个方程
它的特征方程是
lemda方加上4倍的lemda加4等于零
实际上 这个它的解我们知道
它就是lemda应该是等于负2
但它应该是一个重根
这时候 根据特征解法的结论
它的通解应该是
c1乘上e的负的两倍x次方
再加上c2乘上x
再乘上e的负的两倍x次方
这就是这三个解
这三个方程用特征解法
来求解它的通解的过程
第二个例子
我们来看一下 这个方程
这个方程 也就是它的四阶导数
减掉两倍的y的三阶导数
再加上5倍的y的两阶导数等于零
这应该是个简单的
四阶线性常系数齐次微分方程
那么 我们来求解 这个微分方程
仍然用特征解法
我们写出它的特征方程
也就是lemda的四次方
减掉两倍的lemda的三次方
再加上五倍的lemda的平方等于零
当然 它有一个重实根
也就是lemda1应该是等于零的
这应该是个二重的
接下来 还有一个根
应该我们用lemda正负来表示
这个地方 应该就等于
2加减根下 -2的平方是4
4再减掉4乘5 应该就是负16
然后再除上2
这个地方写出来
也就是1加减两倍的i
这个应该是一个单重的共轭复根
那根据高阶线性
常系数齐次方程的特征写法
我们就可以把它的通解给写出来
通解应该是这样子的
c1 乘上e的零次方 就是1
这针对的是这一个
再加上 c2 乘上x乘上e的零次方
是对应着这个重根的情况 这就是x
再加上 这两个我们写到一起来
这是e的x次方 括号里面是
c3 cos两倍x 再加上c4 sin两倍x
这一部分是对应着这个
单重复特征根的
这就是这一个
四阶线性常系数齐次方程的通解
这是利用特征解法来处理具体的
线性常系数齐次方程的一般过程
实际上 只要它的特征方程
我们能够得出它的特征根
那么它的通解
就利用我们前面给出的结论
直接给构造出来就行了
最后一个例题 我们来看一下这个题目
假设一个方程 它有这样的三个解
第一个就是y1等于e的x次方 负x次方
第二个 y2等于一个
两倍的x e的负x次方
第三个是 y等于一个三倍的e的x次方
就假设一个方程有这么三个解
当然如果我 就是说一个方程
有这三个解的时候
我当然不知道这个方程是什么方程
现在我加条件
首先我加这个方程是个三阶方程
然后接下来我再加
这个方程是个线性的 第二个条件
第三个条件 我再加
这个方程不仅线性的
它的系数函数 与自变量x无关
是常系数的
最后 再加上两个字
这个方程还是齐次方程
也就是说 如果我们知道
一个三阶线性常系数齐次方程的
三个解是这个形式
现在我们能不能
把这个方程给求出来
当然对于一般的微分方程问题
如果我们知道它的通解 求方程
应该就是说 我们是通过求导
得到那个任意系数满足的方程组
反解任意系数 给它消去
得到它的未知函数
及各阶导数满足的等式
尽管想法是直接的
但对一般方程来说
计算应该是复杂的
但是对我们这个问题 大家注意一下
这两个方程 是这个
三阶线性常系数齐次方程的解的时候
意味着什么
意味着这个方程 它的一个特征根
应该就是lemda1等于负1
而且它是个二重特征实根
应该是这样子的
如果这一个
是这个三阶线性常系数齐次方程的解
意味着它还有一个特征根
应该是等于1的
那么有了这两个特征根之后
我们直接就可以
把它的特征方程写出来
它的特征方程 也就是
lemda加1它的平方再乘上lemda减1
等于零 特征方程就写出来了
写出来之后
我们自然就可以把这一个给展开
表示成lemda的三次多项式的形式
那我们给它写一下 这应该就是
lemda的三次方
再加上两倍的lemda平方
再加上lemda
这面应该是减掉一个lemda平方
所以这面就是加lemda平方
这面应该减掉两倍的lemda
减掉两倍的lemda
这应该就是减掉lemda
这面还应该是一个减1
所以说 它的特征方程
应该就是这个样子
根据特征方程 与原来那个
线性常系数齐次方程的关系
我们要求的微分方程
应该是y的三阶导加上
y的两阶导 减掉y的一阶导
再减掉y等于零
这就是我们要求的微分方程
实际上 第三个例题就是强调了
我们由线性常系数齐次方程
自然可以得到它的特征方程
得到它的特征根
如果反过来
对于线性常系数齐次方程来说
如果它已经告诉了我们
一些线性无关的解
我们能不能看出它的特征根是什么
从而得到它的特征方程
最后得到方程本身
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