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(之二)举例
好 我们已经介绍了
当右端项是多项式 指数因子
和是正弦或者余弦函数相乘时
我们怎么样设
这个非齐次方程的一个特解形式
接下来我们就看几个具体的例题
第一个例题
我们来求解一下这个方程
y''+y=xcos2x 那这就是一个
右端项是多项式
乘上cos2x的形式
在这里边 那个指数因子
我们当然可以理解成
他的指数是0次方 0次方
那我们解这个方程时
先来看看他对应的齐次方程
也就是y‘’+y=0
他的特征方程
应该是λ^2+1=0
所以说他的特征根
应该就是λ=±i ±i
有了这个特征根
一方面 我们可以写出
对应的齐次方程的通解形式
另外一个方面
我们可以根据这个右端项
得到的那个α+iβ
与这个λ的关系
来设他的特解形式
因为我们的α是=0的
β是等2的
所以说α+iβ并不是特征根
这时候我们就设
一个特解形式是这样子的
y*这里面他不是特征根
所以说x的0次方就是1
指数因子也是1
所以我们直接就看
我们应该假设一个一般的
一次多项式乘上cos2x
再加上一个一般的一次多项式
再乘上sin2x
也就是根据前面我们介绍的
一般的设特解的方式
接下来我们为了确定这里面的
待定参数a1b1a2b2
我们需要把这个函数
代到原来的方程里边去
所以说我们先求他的一阶导
这个部分求导就是a1 他不动
也就是cos2x
这个括号不要
再加上这一部分不动
这个求导应该是-2sin2x
这个求导他不动
也就是加上a2sin2x
这个不动 后面这个求导
也就是(a2x+b2)
这面是乘上一个2cos2x
这一阶导数求出来
我们直接求二阶导数
二阶导数我们先看一下
就是这个求导
当然就是-2a1sin2x
我们第二项求导
第二项求导 就是这个求导
后面不动
那应该是减掉一个2a1sin2x
前面这一部分不动
后面这个求导
a1x+b1 这一个
应该乘上-4cos2x
这是前面这两项求导就完成了
接下来下面的
应该是+2a2cos2x
这面是再+2a2cos2x
这面再加上(a2x+b2)
这个求导是个(-4sin2x)
这样我们就把
二阶导数也做出来了
那我们知道
他的两阶导数再加上这个函数
我们看一下
就是以cos2x和sin2x做公因子
我们来合并
那么cos2x前面的系数应该是什么
再先看这个两阶导数这个地方
这有一个2a2 这里有一个2a2
所以这应该是4a2
在这个地方应该还有一个-4a1x-4b1
所以这是下面cos2x的系数
而在这个函数里面
应该是再加上a1x+b1
这就是cosx cos2x
类似的sin2x 他的系数
咱看一下
我们先看二阶导数这个地方
这里有个-2a1 -2a1 所以-4a1
然后这个地方有一个-4a2x-4b2
在原来函数里面
这面应该是再加上a2x+2
这就是这两个加起来之后
得到的表达式
最后他应该等于他的右端项
是=xcos2x
那么这两个要相等的时候
应该是cos2x他的系数要相等
也就是说这个中括号里面的东西
应该等于x
那我们看一下
等于x对应项系数相等
得出来应该是什么东西
也就是x的系数
这里应该是个-3a1
他应该是等于这面x的系数
所以=1的 常数项
这面应该有一个2 2倍的 4倍的a2
这里还有一个-3b1
他应该=0的
另外右端项没有sin2x
这意味着左边这个sin2x
前边这个系数应该是恒等0的
恒等0这就是个一次多项式恒等0
那么他的系数都应该等0
也就是-3a2 x的系数应该等0
常数项在这个地方
应该是个-4a1-3b2也应该=0
这样我们就知道
我们得到a1是等于-1/3
我们的a2应该是=0的
a2=0我们就会得到
b1也等0
接下来 我们看一下
a1是一个-1/3
那么我们就会推出
我们的b2实际上是4/9 4/9
这样我们就得到了
我们四个待定系数的值
最后我们看一下
这个方程的通解是什么
他的通解yx
对应的齐次方程的通解
应该是c1cosx+c2sinx
因为我们是从他的特征根
构造出来的通解
而他的特解
我们刚才是假设的是这种形式
其中a1是-1/3
所以说这面应该是-1/3xcos2x
因为我们的b1是=0的
接下来a2是=0的 b2是=4/9的
所以应该是加上4/9sin2x
这就是我们利用待定系数法设特解
求待定系数的一个完整过程
这是第一个例子
接下来我们看第二个例子
也就是我们来看一下
这个方程他的解的情况
当然这个方程
跟我们第一个例子中的
方程对应的齐次方程是一样的
所以特征根我们就不再重复了
我们直接把他对应的齐次方程的特征根放到这
接下来我们要设特解的时候
我们应该是把他处理成两个方程
第一个y‘’+y=x
他的一个特解
我用y*来表示
大家看 因为这是多项式
成指数函数的形式
指数因子是 方次当成0
0不是他的特征根
所以这个时候
我们来设这个特解的时候
直接就写成y*=ax+b +b
最后咱们把这个y*
和他的两阶导数
实际就是0
代到这个方程里面来
我们直接就得到了
a实际是等1的
b是等0的 b=0
所以他的一个特解实际就是x
另外我们还需要看一下
这个方程 也就是y''+y=cosx
因为他的对应的
齐次方程的一个特征根就是i
而这边我们的α是=0 β是=1的
所以我们的α+iβ也是i
也就是说这时候他应该是个单根
那么我们设他的特解形式
用y2*来表示
他是个单根
所以这面一定有一个x的一次方
指数因子是1
而里面就是说
原来是一个0次多项式
所以我们就可以写
Acosx+Bsinx
也就是说他的一个特解形式
应该是这个样子
他的一阶导
也就是y2*一阶导
咱先看前面就是
他求导他不动
就是Acosx
再加上他不动他求导
就是减掉Axsinx
第二部分求导
就是前面这一个
求导他不动
也就是加上Bsinx
再一个前面不动后面求导
也就是加上Bxcosx
一阶导求完了
二阶导 他的二阶导
这面就是-Asinx
这面再减掉一个Asinx
再减掉Axcosx
这是这一项 两个
求导之后的两项
这面再加上一个Bcosx
这面一求导
又出来一个Bcosx
最后再-Bxsinx
那么两阶导和函数加起来
我们看看就是得到什么东西
两阶导加上这个函数
我们仍然以cosx和sinx做公因子
咱们看他cos的系数应该是
这里一个-Ax 这里一个2B
所以说-Ax+2B
这里还一个cos
也就是再加上AX
这应该就是余弦的系数
再加上正弦的系数
正弦的系数
这里有一个-2A
这个地方应该有一个-Bx
也就是-2A-Bx
正弦这里还有一个+Bx
这是sinx
他应该等于原来的右端项
他应该等于cosx
实际上这样一做的时候
大家会发现这个系数应该等0
而这个系数是等于-2A
所以A就=0
还有 这个系数应该=1
这个系数是=2B
所以B应该等于1/2
最后我们往这一代
A=0 B=1/2
所以应该就是1/2倍的xsinx
那么这两个方程的特解
我们求出来之后
我们这一个方程的通解
我们是就可以这样写出来了
y就等于c1cosx+c2sinx+x+1/2xsinx
最后这个表达式
就是我们要求的这一个
非齐次微分方程的通解
我想这是我们的第二个例题
好 接下来我们看第三个例题
也就是我们考虑这个方程
两阶导加上2倍的一阶导减掉3y
等于3e^x-sin2x+e^xcosx
对于这个方程
现在我们做这件事情
我们能不能把这个方程的
一个特解形式给设出来
也就是说
我们不求解
只要把他的特解形式给定出来就可以了
那定这个的时候
首先大家要看一下
他对应的齐次方程的特征根是什么
也就是说我要看一看
这个特征方程的解
这个特征方程的解
这个特征方程的解
大家可以直接给他解出来
解出来应该就是一个
λ=1 还有一个λ应该=-3
等于-3
这样我们写出来之后
我们要分成三个非齐次方程来看
这三个的右端项
分别是3倍的e的x平方
3倍的e的x次方
还有一个sin2x
还有一个是e的x次方cos2x
那对第一个方程来说
大家看一下
因为这个λ=1
所以说这个系数实际是一个单根的
那么他对应的特解形式应该是
x乘上这个地方
应该有一个一般的0次多项式
就是A 再乘上e^x
所以说第一项对应的特解形式
应该就是这个样子
接下来我们看第二项
第二项 因为他的两个特征根都是实数
所以说不可能是复数
不可能是复数的时候
我们设他的特解的形式的时候
应该就是这个样子
就是加上一个前面
指数因子是1 x的0次方
所以这里面应该是写一个
就是这样子的
一个一般的0次多项式
我就用B来表示
乘上cos2x 再加上
另外一个一般的0次多项式
我用C来表示
是个sin2x
这就是第二项
第三项 我们来处理的时候
实际上
因为他的两个特征根都是实数
也不可能是复数
所以我们在写的时候
就应该是写上x的0次方是1
指数因子是x e的x次方
这里面应该是
一个一般的0次多项式
我用E来表示
然后乘上cos2x
再加上另外一个
一般的一次多项式
我用F来表示
再乘上sin2x
所以说
最后我们这个方程的特解形式
应该是由这么三个部分构成
而每一部分
我们都是根据
前面介绍过的
右端项是多项式乘指数函数
或者是多项式乘指数函数
乘正弦或者是余弦函数
我们来给他把特解形式定出来的
这是关于右端项是特殊函数时
我们要介绍的
二阶线性常系数非齐次方程
他特解的所谓待定系数法
也就是说根据右端项的形式
我们要先把特解形式设出来
最后代到原方程里面去
把需要求的系数
通过解线性方程
或者线性方程组的形式
给他做 得到
最后得到他的通解
-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
-第一节 二重积分的概念和性质
--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