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(之一)举例
好 前面我们介绍了
当右端项是多项式与指数函数相乘时
二阶线性常系数非齐次方程
它的特解
求法的待定系数法
接下来我们就用待定系数法
来处理几个具体的
二阶线性常系数非齐次方程
我们先看第一个例子
也就是我们来求解一下
y两阶导加上y的一阶导
减掉两倍的y
等于e的2x次方
这就是一个简单的
二阶线性常系数非齐次方程
而它的右端项
我们就可以理解成
是一个零次多项式
与一个指数函数相乘
所以说
求解这个方程的时候
我们就这样做
首先看一下
它对应的齐次方程
它的特征根
就是这个方程的特征方程
大家可以写出来
是λ方加上λ减2等于零
那么我们解这个一元二次方程
我们就会得到它的两个解
一个λ1应该是等于1的
再一个λ2应该是等-2的
这样写出来之后
我们不仅能构造它的通解
关键是
我们还知道
我们右端项里面
这个指数函数部分的这个系数
2 应该不是它的特征根
不是它的特征根的时候
我们就设
这个非齐次方程的一个特解形式
y*应该就等于
一个一般的零次多项式
那就是一个常数
再乘上这个指数因子
也就是e的2x次方
我就假设这
就是这个非齐次方程的一个特解
那 我们要代到原来方程去
所以我们要求它的一阶导
y*
一阶导是两倍的Ae的2x次方
y*它的两阶导
应该就等于4倍的
Ae的2x次方
咱们把y* y*一撇 y*两撇
代到原来这个方程里面去
我们看一下
我们就得到
给它加起来
两阶导加一阶导是个6Ae的2x次方
再减掉一个两倍的y*
所以说
这边就是4Ae的两倍x次方
右端项是e的2x次方
这样我就得到了
这个A应该就等于四分之一
A等四分之一
把A代到这个特解形式里面来
咱们就得到了这个非齐次方程的一个特解
那最后
我就直接写出
这个非齐次方程的通解
它对应的齐次方程的通解是这样子的
C1乘上e的x次方
加上C2乘上e的-2x次方
这是根据特征根直接写出了通解
然后再加上它自己的一个特解
也就是
四分之一倍的e的2x次方
这样我们就得到了
这个简单的二阶线性常系数非齐次方程的通解
所以说
整个求解过程
就用到了前面咱们介绍的
线性常系数齐次方程的特征法
依据线性常系数非齐次方程的
待定系数法
待定系数法
这是第一个例题
第二个例题
我们来看一下
这个题目
也就是y的两阶导
减掉两倍的y的一阶导
再加上y
等于一个四倍的xe的x次方
就这个
这个也是一个简单的
二阶线性常系数非齐次方程
而它的右端项
我们可以看成是一个一次多项式
与一个指数因子相乘的形式
所以说
对这样的方程
求它的非齐次方程的特解
当然也可以用待定系数法
那我们解这个方程
先看一下
它对应的齐次方程
应该就是这个方程
它的特征方程
大家写出来
应该是λ方减掉两倍λ加1等于零
那么
它的特征根
我们也写出来
是λ等1
这是一个重特征根
重特征根
当然
根据特征根的情况
我们可以写出
它对应的齐次方程的通解
另外根据特征根的情况
我们会发现
我们右端项指数因子的
这个
指数上的那个系数正好也是1
这个时候
这个1应该就是它的重特征根
那我们应该怎么设它的特解
我们应该这样设
因为这里那个1是它的重特征根
所以我们就设它的一个特解形式
y*是x平方
接下来
原来是一个一次多项式
所以
我们这个地方
应该写上
ax加上b
一个一般的一次多项式
这面再乘上这个指数因子
所以说
在这个时候
我们构造它的特解的时候
应该是这个地方
平方指的是μ
是它的重特征根
这个一次指的是原来前面就是一个一般的
原来就是一次多项式
所以说
这就是一个一般的一次多项式
指数因子部分
当然还在这
接下来
我们就求它的一阶导
再求它的二阶导
最后
我们把函数一阶导二阶导
往原来这个方程里面一代
我们就可以直接得到这个形式
应该是6ax加上4倍的b
然后
这面是e的x次方
这面等于4倍的e的x次方
那么对应项系数相等
也就是6a应该是x的系数
所以说6a应该是等于4的
这样我们就得到了a应该等于三分之二
4b应该是等零的
所以我们就得到了b等零
有了a b的值
我们自然就把这个特解求出来了
最后
咱们把它的特解写出来
就是这个非齐次方程的通解
先把它对应的齐次方程的通解写出来
应该是C1e的x次方
加上C2x乘上x乘上e的x次方
再加上它的一个特解
一个特解
这个a是三分之二
所以应该是三分之二倍的
这应该是x三次方
e的x次方
因为b是等零的
这就是我们最后得到的
这个非齐次方程的通解形式
在这个时候
那我们设特解的时候
就利用了μ
是原来这个
非齐次方程对应的齐次方程的重特征根
这个特点
我们再看第三个例题
这个方程
现在对这个方程
我们来做这件事情
我们不具体求解它
因为求解的时候
前面两个例子已经给我们说清楚了
我们怎么样
去具体做这个求解过程
对这个方程来说
我们只要求
我们能不能得到它的一个特解形式
就是y*
实际上
这个方程
我们为了设它的特解形式
我们可以考虑这两个方程
一个是y两撇减y等于e的x次方
再一个是y两撇减y等于1
因为根据线性微分方程解的结构
只要我们知道了它的一个特解形式
知道了这个方程的一个特解形式
那么把这两个方程的特解一求和
得到的应该就是我们原来这个微分方程的一个特解
而对这个方程来说
这个系数是1
而它的那个特征根
大家可以做出来
因为它的特征方程是λ方减一等零
它的特征根自然是正负1
也就是说
这个1正好是它的单特征根
因为这个1是它的一个单特征根
所以说
它的一个特解形式
我们用y1*来表示
应该就是x一次方
再乘上一个一般的一次多项式
那就是A再乘上这个指数因子
这应该就是它的一个特解形式
接下来
我们来看这个方程
这个方程的特征根
应该是跟这个方程是一样的
但是这个地方是一个1
我们可以理解成是零次多项式
指数因子
指数
肯定是0的
0不是它的特征根
所以我们来假设
这个方程的一个特解的时候
应该就是这个样子
就是直接就是一个一般的零次多项式
那么这两个一加
所以我们要求的问题
也就是原来这个方程的一个特解
可以写成这个形式
也就是
Axe的x次方再加上B
这个
这就是我们要的结果
实际上
第三个例题
就是想告诉大家
因为我们在处理一般的线性方程的时候
它的右端项不见得只由一项构成
它可能是多项做加减
那这时候
我们一般是根据
线性微分方程解的叠加原理
把右端项拆成单项的
几个微分方程去处理
所以说
待定系数法
只要会处理了多项式乘指数函数的形式
无论是它有几项做加减
我们都可以处理
最后
来说一下
刚才我们把这个
y y* y*两撇代到原来
这个方程时
这个地方做完以后
应该出来的是两倍b
当然做法是一样的
我们还是比较这个
6ax跟4x的这个对应项系数
还是比较这个两倍的b
与这个一次函数的常数项
所以说结论还是
a等三分之二
b等0
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