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

返回《微积分——多元函数与重积分》慕课在线视频课程列表

视频5--17 二阶线性齐次微分方程的特征法在线视频

视频5--17 二阶线性齐次微分方程的特征法

下一节:n阶线性齐次微分方程的特征法

返回《微积分——多元函数与重积分》慕课在线视频列表

视频5--17 二阶线性齐次微分方程的特征法课程教案、知识点、字幕

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

微积分——多元函数与重积分课程列表:

第一章 多元函数微分学

-第一节 多元连续函数

--向量的内积与长度-1

--向量的内积与长度-2

--R^n中的点列的收敛性

--内点、外点、边界点-1

--内点、外点、边界点-2

--开集、闭集、区域

--多元函数的有关概念

--二重极限的定义

--二重极限的例题

--二次极限的定义

--连续与一致连续的定义

--连续函数的性质-1

--连续函数的性质-2

--连续函数的性质-3

-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

--混和偏导数与求导顺序无关的条件

-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

--复合函数微分法之一

--复合函数微分法之二

--复合函数求导数(举例)

--隐函数存在定理

--隐函数求导法(举例)

--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

--梯度向量的概念与计算

-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

--映射与连续映射的概念

--映射的导数、微分、雅克比矩阵

--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)

--二元函数有Peano型余项的Taylor公式

--二元函数有Peano型余项的Taylor公式-2

--二元函数带有Lagrange型余项的泰勒公式

-第一章 多元函数微分学--第七节练习题

第二章 多元函数微分学应用

-第一节 多元函数微分学的几何应用

--空间曲线的切线与法平面(之一)

--空间曲线的切线与法平面(之二)

--空间曲线的切线与法平面问题举例

--曲面的切平面与法线(之一)

--曲面的切平面与法线(之二)

--曲面的切平面与法线(之三)

--曲面的切平面与法线问题举例

-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

--极值点的概念和必要条件

--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

--二元函数条件极值问题的提法

--三元函数条件极值问题的提法(之一)

--三元函数条件极值问题的提法(之二)

--条件极值问题的直接解法

--条件极值问题的Lagrange解法

--条件极值问题举例

--多元函数在有界闭域上的最值

--最小二乘法

-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题

第三章重积分

-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

--关于二重积分性质的例题

-第二节 二重积分的计算

--二重积分的计算:直角坐标系(1)

--二重积分的计算:直角坐标系(2)

--二重积分的计算:直角坐标系(3)

-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

--二重积分的一般坐标变换公式

--二重积分的计算:极坐标系

--二重积分的计算:极坐标系例题

--二重积分的计算:一般坐标系例题

-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

--三重积分的计算:例题(1)

--三重积分的计算:例题(2)

--空间坐标变换

--空间柱坐标系

--空间柱坐标系例题(1)

--空间柱坐标系例题(2)

--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

--第一类曲线积分的引入

--第一类曲线积分的定义

--第一类曲线积分的性质

--第一类曲线积分的计算公式

--第一类曲线积分的计算例题

-第三章重积分--第五节 练习题

-第六节 第一类曲面积分

--第一类曲面积分的引入

--第一类曲面积分的定义

--第一类曲面积分的性质

--第一类曲面积分的计算公式

--第一类曲面积分的计算例题(1)

--第一类曲面积分的计算例题(2)

-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

--广义含参积分的连续性和积分导数

-第三章重积分--第七节 练习题

第四章 向量分析

-第一节 第二类曲线积分

--第二类曲线积分的引入

--第二类曲线积分的定义

--第二类曲线积分的性质第二类曲线积分的性质

--第二类曲线积分的性质

-第四章 向量分析--第一节 练习题

-第二节 Green公式及其应用

--平面第二类曲线积分:Green公式

--平面第二类曲线积分的计算:利用Green 公式

-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

--第二类曲面积分的引入

--第二类曲面积分的定义与性质

--第二类曲面积分的计算

-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

--第二类曲面积分的计算:Gauss公式

--Stokes公式及其应用

-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

第五章 常微分方程

-第一节 微分方程的基本概念

--微分方程概念举例

--微分方程的基本概念

--一阶微分方程定解问题解的存在唯一性

-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

--可化为齐次型方程的方程

--一阶线性微分方程的概念和解的性质

--一阶线性微分方程的解法

--Bernoulli方程

--可降阶方程(之一)

--可降阶方程(之二)

-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

--线性微分方程解的性质

--函数组线性相关(无关)的概念

--函数组线性相关的必要条件

--线性微分方程解函数组线性相关的判别法

--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

--视频5--17 二阶线性齐次微分方程的特征法

--n阶线性齐次微分方程的特征法

-- 线性齐次微分方程的特征法举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之一)举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之二)

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之二)举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的变动任意常数法

--二阶线性微分方程的变动任意常数法

--二阶线性微分方程的变动任意常数法(之二)

--欧拉方程

--欧拉方程举例

-第五章 常微分方程--第四节 练习题

视频5--17 二阶线性齐次微分方程的特征法笔记与讨论

也许你还感兴趣的课程:

© 柠檬大学-慕课导航 课程版权归原始院校所有,
本网站仅通过互联网进行慕课课程索引,不提供在线课程学习和视频,请同学们点击报名到课程提供网站进行学习。