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 > 视频5--17 二阶线性齐次微分方程的特征法
通过前面的讨论我们知道
我们求解线性微分方程的解
主要就是想办法求
线性齐次微分方程的线性无关的解
和线性非齐次方程它的一个特解
对一般的线性微分方程问题
我们还没有比较合适的
或者比较有效的求解方法
但是如果当方程的系数函数
是常数的时候
我们是有比较简单的求解方法的
接下来 我们先介绍一下
二阶线性常系数齐次方程它的特征解法
二阶线性常系数齐次方程 它的特征解法
这个想法是这样子的
现在我们考虑的是
二阶线性常系数齐次方程
也就是说 我们可以给它写成
就是两阶导数 加上a倍的一阶导数
加上b倍的函数也就等于零
这就是 二阶线性
常系数齐次方程的标准形式
其中这个a和b与自变量x无关 是常数
那么对于这样的方程
我们怎么来考虑它的解
现在我们假设
它有一个解的形式是这样子的
也就是y等于e的lemda x次方
那么 根据求导公式 我们就会得到
y一撇等于lemda倍的e的lemda x次方
而它的两阶导数就等于
lemda平方e的lemda x次方
那我们将这三个表达式
代到这个方程里面去 我们会发现
这时候 原来这个方程 它就变成
lemda平方 加上a倍的lemda
再加上b括起来 再乘上e的lemda x次方
它等于零 因为我们知道
这个指数部分是不会等于零的
所以说这个等于零 也就等价于
lemda平方加上a lemda加上b等于零
现在我们就发现
如果这个方程的解的形式是这样子
那么这个指数部分的lemda
应该是满足这个方程
这个方程是我们熟悉的一元二次方程
那么我们知道它解的情况是这样子的
对这个方程
它的解的情况我们可以写得出来
就是lemda正负应该等于
负a加减这是a方减掉4b 再除上2
那么根据这个a方减4b
大于零等于零小于零
我们知道它的解有三种情况
第一种情况当然指的是
有两个不同的实根
也就是我记成lemda 1 lemda 2
它们都是实数 而且
lemda 1是不等于lemda 2的
这是第一种情况 第二种情况
也就它等于零时
它应该有两个根 但是它相等
都是实数 这就是所谓的重根
实际这个时候 lemda 1 lemda 2
就是负的二分之a
第三种情况 如果这个a方减4b小于零时
它应该有对共轭复根
这个共轭复根 我们就记成
lemda 1等于alpha加上i beta
然后lemda 2就等于alpha减掉i beta
其中i就是虚数单位
也就是说i的平方是等于负1的
所以说 我们如果假设
这个方程有这个形式的解
我们会发现
这个lemda必须满足这个东西
在这儿 我们把这个一元二次方程
称为原来这个二阶线性常系数齐次方程的
特征方程 实际上 从形式上看
特征方程 就是把原来微分方程中的
未知函数y变成未知量 lemda
把原来的求导的阶数变成lemda的方次
这就写出了特征方程
而我们这里得到的它的解
就称为原来这个微分方程它的特征根
接下来我们给出一个结论
也就是说我们根据它这个特征根的情况
来看看怎么样得到这个二阶线性
常系数齐次方程的两个线性无关的解
我们的结论是这样子的 写成一个定理
我们设lemda1 lemda2
是二阶线性常系数齐次微分方程
y的两阶导数加上a倍的y的一阶导数
加上b倍的y等于零 它的两个特征根
那么第一种情况
当lemda1 lemda2是两个不相同的实根时
我们知道 这个方程的通解就可以表示成
c1 乘上e的lemda1 x次方
再加上c2乘上e的lemda2 x次方
其中c1 c2是任意常数
第二种情况 如果lemda1 lemda2
是这个微分方程的重特征根时
那么 这个微分方程的通解就可以写成
c1乘上e的lemda1 x次方
加上c2乘上x再乘上e的lemda1 x次方
c1 c2仍然是任意的常数
第三种情况 如果lemda1等于
alpha加上a倍的beta
alpha2(应为lemda2)
等于alpha减掉a倍的beta
是这个微分方程的一对共轭复特征根时
那么 这个通解可以写成
y等于e的alpha x次方乘上括号里面
c1倍的cos beta x
加上c2倍的 sin beta x
其中c1 c2仍然是任意常数
好 现在我们有了这个结论之后
我们知道 我们求解一个二阶线性
常系数齐次方程的问题
就变成了一个求解一元二次方程的代数问题
那么 我们根据它根的情况
直接就把它的通解写出来了
所以对于二阶线性常系数齐次方程来说
它的求解问题不仅从理论上解决了
实际上也得到了一个非常有效的求解方法
而这种方法 我们就通称为是
二阶线性常系数齐次方程的特征解法
接下来我们看一下
如果我们要想证明这个定理中的结论是成立
在第一种情况 因为这两个函数是解
我们已经证完了 因为它这个lemda是特征根
也就是lemda应该是满足这个等式的
这个等式等于零 当然就是这个等于零
这个等于零自然就反推回
它是满足这个微分方程的
所以我们对第一个
只要证明这两个是线性无关就行了
那么 我们对第一种情况
只要证明 这两个函数是线性无关的
实际上 这个问题
在我们给出函数族相关无关的概念时
我们曾经举过一个例题
那个例题是这样说的
只要lemda1不等于lemda2
那么 这两个函数就是线性无关的
所以这个证明
我们在这儿就不做进一步证明了
就大家看一下前面那个例题
接下来我们看第二种情况
如果我们要证明第二种情况
我们一方面要证明这两个
都是这个方程的解
同时 还要证明
这两个解函数是线性无关的
第一个函数 它是方程的解
我们就用lemda1是它的特征根
来解决这个问题
所以它是解是显然的
我们接下来做两件事情
一个是证明这个函数是解
另外一个证明这两个函数线性无关
所以我们的证明 就从第二种情况
咱来看一下 y等于x e的lemda1 x次方
为了证明它是解 我们要求它的一阶导数
那么一阶导数就应该是 它求导它不动
再加上它不动 它求导
所以说 这应该就是1加上lemda1倍的x
e的lemda1倍的x次方
那么它的二阶导数 我们求一下
它的二阶导数 应该是
它求导 它不动 再加上它不动 它求导
出来应该是两倍的lemda1
再加上lemda1的平方x
再乘上e的lemda1倍的x次方
这样求完之后 我们把y y一撇
y两撇 代到原来这个方程里面去
也就是 代进去 我们就会得到
这个东西 y两撇加上a
y一撇加上b y 应该就等于
这个e的lemda1倍的x次方
我们都给它提出去
所以这个应该就等于
两倍的lemda1加上lemda1的平方x
再加上一个a再加上a倍的lemda1 x
再加上一个b x
这应该是e的lemda1倍的x次方
在这里面 我们要注意到 就是这一项
这一项 这一项 这三项我们把x提出来
那当然就是lemda的平方
加上a lemda加上b
因为咱们这个lemda是特征根
所以这三项加起来应该是等于零的
还有一项是两倍的lemda再加上a
因为这时候它lemda是重根
重根lemda应该是等于负的二分之a
所以两倍的lemda再加上a
自然也是等于零的
也就是说 这个系数
我们利用lemda是它的重特征根
就证明了它等于零
那当然乘积就等于零
这样就证明了我们这个y
是这个方程的解
第二件事情 我们要证明
这两个函数是线性无关的
根据解函数族线性无关的判别方法
我们只要证明这两个函数
在x等于零时的朗斯基行列式
不等于零就可以了
那么 它在x等于零时的朗斯基行列式
我们可以这样写
这个函数还有这个函数
它在x等于零时 那么
这两个函数在x等于零时的函数值
这个是1 这个是0
所以说这就是第一行
1 0 它的一阶导数在0那一点的值
这一个应该是lemda1
这个一阶导数在x等于零那一点的值
应该是等于1的
所以说这个行列式 显然是不等于零的
行列式不等于零 就是说明
这两个解函数是线性无关的
这样我们就把 第二种情况下
这个结论证明完了
第三种情况 我们当然
也是要证明两件事情
一个是 这两个函数应该都是解函数
这个就利用齐次方程的解的叠加原理
我们就可以推出来
因为在第三种情况下
我们知道 这个函数
我就用y一杠来表示
y1等于e的alpha加上a倍的beta x
它肯定是解 这个解
我们可以写成e的alpha x次方
这边是 cos beta x加上a倍的sin beta x
这是复指数的欧拉公式
类似的 我们y2一杠
也就是e的alpha减掉a倍的beta x次方
这个应该也是解 而这个我们可以写成
e的alpha x次方 cos beta x
减掉a倍的sin beta x
那么因为这个数 这是它的特征根
所以说这两个函数
当然就是齐次方程的解
大家看一下 我们这两个解一加除以二
得到的应该就是e的alpha x次方
乘上cos beta x次方
所以这 根据叠加原理
还是齐次方程的解
如果我们把这两个解
第一个减掉第二个
除上两倍的i 得到的应该就是
咱们的e的alpha x次方
乘上sin beta x次方
所以根据叠加原理 这个也是解
这样 我们就证明了这是两个解
它的线性无关性 我们仍然还是
用朗斯基行列式在零这点的值
是否等于零来判断
那大家来看一下
这两个函数它在x等于零时这是1
这个是1 所以说
第一行第一列这个元素是1
而第二个函数 在x等于零时
这是等于零的 所以说
它的函数值应该等于零
那我们要求第二行
我们就对这个东西求一个导数
那大家看一下 它的导数也就是说
它求导它不动 那就是alpha倍的
e的alpha x次方 cos beta x
后面应该是它不动它求导
但我要求0那一点的值
后面这个是没有影响的
所以我只看这个 x等于零时
x等于零时 应该就是alpha
类似的 我们这一个乘上这一项求导
它求导 它不动
在x等于零那点的值
这一部分是等于零的
接下来就是这个e的alpha x次方不动
sin beta求导 应该出来一个
beta倍的cos beta x
那在零那点的值
它应该是等于beta的
这样一做的时候 因为咱说了
这时候它是一对真正的复根
beta是不可能等于零的
所以说 这个也不等于零
这样我们就把 第三种情况下
这是第三种情况下
就是这两个函数是解
而且这两个函数是线性无关
我们就证完了
所以这样对于二阶线性
常系数齐次方程来说
我们就可以通过它特征根的情况
得到它通解的结构
-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
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--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
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--方向导数的概念
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--复合映射的微分法
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-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
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-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
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--极值点的判别法
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--条件极值问题举例
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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
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--空间柱坐标系
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--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
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-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
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--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
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-- 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
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--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
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-第四章 向量分析--第五节 练习题
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--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