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 > 二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法
通过前面的介绍我们知道
就 对于线性常系数齐次方程
它的求解问题
我们在理论上得到了一个
特征解法
接下来我们主要讨论一下
对于线性常系数非齐次方程
我们如何求解它的特解
我们主要以二阶线性
常系数非齐次方程为例
我们讨论两种方法
一种就是所谓待定系数法
另外一种
就是变动任意常数法
我们先介绍待定系数法
实际上
二阶线性常系数
非齐次方程的待定系数法
与它的右端项有关
所以我们先介绍一下
就是右端项
为Pnx乘上e的μx次方的
非齐次方程的待定系数法
也就是说
这个时候我们考虑的方程
是可以写成这样子的
y的两阶导
加上a倍的y的一阶导
加上b倍的y
等于Pnx
e的μx次方
那
右端项是一个多项式
Pnx表示的是n次多项式
再乘上一个指数因子
就 如果
是这样的非齐次方程
我们来求解它的时候
我们主要
就是设它的一个特解形式
我用y*来表示
y*等于Qx乘上e的μx次方
其中Qx是一个多项式
如果我假设
它有这个形式的特解的时候
我为了看一下Qx满足的关系
我要把它代到原来这个方程里面去
所以
我们求它的一阶导
y*的一阶导
Q求导这个不动
再加上Q不动
这面求导
最后我把这个指数
e的μx次方提出来
这就是一阶导
我们还需要求二阶导
那二阶导
y*的二阶导也就是
这个求导它不动
也就是Q的两阶导x
再加上μQ一撇x
再加上一个
它不动它求导
出来应该有一个μQ一撇x
所以这里是两倍μQ一撇
还有一个
再出来一个μ
就加上μ方Qx
然后乘上e的μx次方
一阶导二阶导求出来
我们把这三个表达式
都代到这个方程里面去
我们
给它整理一下
出来以后应该是这个样子
也就是说
推出
这就是Q它的两阶导数
然后这面加上
括号里面
应该是两倍的μ
再加上
这是a
这是Q的一阶导数
再加上
这面是一个
μ方加上aμ加上b
这面是Q括起来
这是e的μx次方
等于右端项
右端项应该就是Pnxe的μx次方
我们整理完之后
得到的是这个关系
当然大家知道
在这个关系式里面
因为指数它是不会等0的
所以说我们可以给它消掉
消掉这边 大家一看
尽管表达式比较复杂
但它函数类应该还是一个多项式
这边Pnx是个n次多项式
那么
两个多项式相等
首先次数要一致
其次
对应项系数应该相等
好 我们来分析一下
因为左边这个表达式里面
这个多项式的最高次数
应该是出现在这项里面
因为我们每次对多项式求导
它都会降次的
所以我们就这样说
如果这个括号不等0
那么这个左边
就应该也是一个n次多项式
也就意味着
这个时候Qx就应该是n次多项式
而这个括号等0不等0
大家想一下
正好是这个方程对应的齐次方程
它的特征方程
实际上
我们就知道这样的东西
就是当μ不是
y两撇加上ay一撇加上by等0的特征根时
特征根时
那么Qx应该是一个n次多项式
第二种情况
如果它是它的特征根
但仅仅是一个单特征根的时候
那也就是说这个是等于0的
但这个是不等0的
这个不等0
那么 意味着
这个Q的一阶导数应该是一个n次多项式
所以说
第二种情况也就是说
它仅仅是
仅仅是单特征根
单特征根
这个时候
我们的Qx应该是
n+1次多项式
n+1次多项式
如果我的μ不仅是特征根
而且是重特征根
也就是说这个是等零的
重特征根
也就意味着
我这μ应该等于负的二分之a
那么这项也等0
这时候
Qx本身就应该是一个n+2次多项式
也就是当μ是重特征根时
这时候Qx是n+2次的多项式
所以说我们最后假设它的一个特解
是一个多项式乘上这个指数部分的时候
这个多项式
它的次数
就由我们原来右端项这个μ
与原来它对应的齐次方程的特征根之间的关系
给出来了
我们把这个结论写成
一个一般的定理
我们设y*等于多项式Q
乘上e的μx次方
是这个二阶线性常系数非齐次方程的一个特解
那么 第一种情况
当μ不是它对应的齐次方程的特征根时
我们这个多项式
就是一个n次多项式
也就是说
这时候的特解就是
y*等于一个n次多项式乘上这个指数因子
第二种情况
如果我们的μ
是它对应的齐次方程的单特征根时
那么
我们的特解形式
可以设成x乘上一个n次多项式Qax
再乘上这个指数因子e的μx次方
第三种情况
如果我们的μ
是它对应的齐次方程的重特征根时
那么 我们的特解形式
可以设成x平方乘上一个n次多项式Qnx
再乘上e的μx次方
从这个定理我们可以看出
对于一个右端项
是多项式乘上一个指数因子的
二阶线性常系数非齐次方程来说
我们可以这样构造它的特解形式
也就是如果这个μ
不是它对应的特解形式
齐次方程的特征根时
我们可以把它的特解构造成一个n次多项式
乘上这个指数因子的形式
如果μ
是它对应的齐次方程的单特征根时
我们可以把这个微分方程的特解
构造成x乘上一个n次多项式
再乘上这个指数因子的形式
为什么说这个地方可以写成是
x乘上一个n次多项式
因为我们刚才解释的时候说
μ是单特征根时
它是一个n+1次多项式
但是大家注意
它如果是单特征根时
这个因子是不出现的
所以我们这时候出现的
只是这个n+1次多项式的一阶导和二阶导
但是
对于n+1次多项式来说
它的一阶导数和二阶导数
都不会出现原来多项式的常数项
换句话说 也就是
这个n+1次多项式的常数项
对我这个等式是没有影响的
它是任意的
所以我可以把它先当成0
当成0之后
自然这个n+1次多项式
就可以把一个x提出来
所以这个时候
咱们可以直接把它的通解
假设成是一个x乘上一个n次多项式的形式
类似的
如果μ是这个
对应的齐次方程的重特征根时
我们可以直接把
这个非齐次的一个特解形式
假设成是x平方乘上一个n次多项式
再乘上这个指数因子的东西
为什么把这种方法叫所谓的待定系数法
实际上
也就是说
我们这个地方
都会牵扯到一个n次多项式
n次多项式应该有n+1个系数
那这n+1个系数我们怎么去求
实际上
把特解形式假设出来
我们就把
y* y*一阶导 y*两阶导
把这三个函数代到原来的方程里面去
通过比较两边
多项式的对应项系数
我们会得到
我们这个n次多项式的n+1个函数
满足是n+1个线性方程
实际上
所谓待定系数法
就是说
我们通过这种运算得到这个待定系数
满足的线性方程组
通过求解线性方程组
我们就把这个Qnx具体确定了
所以这样就得到了
这个非齐次方程的特解
有了这个特解之后
大家自然可以用特征法再来求
它对应的齐次方程的通解
有了对应的齐次方程的通解
又有了它的特解
根据解的性质
和我们前面得到的非齐次方程解的结构
我们就知道它的通解
应该就等于我们得到的这个y*加上
c1y1+c2y2
其中y1 y2是它对应的齐次方程的
两个线性无关的解
这就是关于二阶线性常系数非齐次方程
当右端项
是一个多项式函数
与一个指数函数相乘时
它的待定系数法的想法
和一个具体的设特解的过程
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
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--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题