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变动任意常数法
前面我们介绍了
二阶线性常系数特解的待定系数法
但待定系数法
他对微分方程的右端项
有特殊的要求
也就是要求他必须是特殊的函数类
而我们处理二阶线性常系数非齐次方程时
许多时候右端项都不满足我们的要求
这时候我们一般介绍
他的另外一种解法
这就是所谓的变动任意常数法
二阶线性常系数非齐次方程
他的变动任意常数法
我们考虑的方程是一个一般的
二阶线性常系数非齐次微分方程
右端项我们就用f(x)来表示
那么对这样的方程
所谓的变动任意常数法
指的是什么
也就是我们假设y1(x)y1(2)
这两个函数是他对应的齐次方程的
两个线性无关解
那么 我们就令
y(x)=c1(x)y1(x)+c2(x)y2(x)
是这个非齐次方程的解
这个方程我们用星号来表示
也就是 是这个*式方程的解
所谓变动任意常数
主要指的是
在这里面c1 c2不再是常数
如果c1c2是常数的时候
根据齐次微分方程解的性质
我们知道y1 y2的线性组合
满足的仍然还是齐次方程
不可能满足非齐次方程
所以说我们为了让他满足非齐次方程
就让这个常数
是与自变量x有关的
也就是他实际是一个变量
这也就是所谓的变动任意常数
如果我们令这一个
是非齐次方程的解
我们来看一下
c1c2这两个函数
应该满足什么条件
我们求y的一阶导数
也就是c1的导数乘上y1
再加上c1乘上y1的导数
再加上c2的导数乘上y2
再加上c2乘上y2的导数
这个我们简单的给他组合一下
这面c1的导数乘上y1
再加上c2的导数乘上y2
这面是加上的
c1乘上y1的导数
加上c2乘上y2的导数
因为我们还需要求二阶导数
如果我们不做新的假设
那么我们的二阶导数就会出现
这里这两个未知函数c1c2的二阶导数
换句话说
我本来就是要解一个二阶微分方程
结果我把它从一个未知函数
变成了两个未知函数之后
还是解二阶微分方程
这个问题自然就没得到化简
我们多引进一个未知函数的目的
实际上是希望把二阶的问题变成一阶的
那么为此我们需要
对c1c2再加一个条件
这个条件我们就加这个括号
这个表达式等于0
也就是说
我就再令c1一撇y1
加上c2一撇y2等于0
那么在这一个假设下
我就会得到两阶导数
实际就是对这个东西求导
那当然就是c1的导数y1‘
加上c1 y1’‘
c2的导数乘上y2的导数
再加上c2*y2’‘
现在我们把y y’ y‘’
都代到原来这个方程
我们带进去之后
给他整理一下就会得到
y‘’+ay‘+by应该是等于
这个地方与y1有关的
我们提出一个c1来
这面就是y1’‘+ay1’+by1
这是一个
有 y2两阶导
或者与y2有关的
我们给他提出来
应该就是加上一个c2y2‘’+ay2‘+by2
还有一项
是这一项
也就是加上在这儿的
这两项
也就是c1’y1‘+c2'y2'
最后他应该等于方程的右端项
也就是说
我们把这个函数
y以及他的一阶导二阶导
代到方程里边来
就会得到最后这个等式
但是y1是他对应的齐次方程的解
所以说这个括号等0
y2也是他对应的齐次方程的解
所以说这个括号也等0
这样的时候
我们就得到了
c1’y1‘+c2’y2‘
应该等于右端项f(x)
考虑到我们的c1 c2满足的这个关系
所以最后我们知道
我们的c1 c2 满足的
应该就是这两个方程
那么对c1’ c2‘来说
这应该是他们的一个线性方程组
而他们的系数行列式
应该就是y1y2这两个函数的朗斯基行列式
因为我们说
他是这个对应的齐次方程的
两个线性无关的解的时候
他的朗斯基行列式
当然是不等0的
也就是说
这个线性方程组的系数行列式
是不等0的
他应该有唯一解
这个唯一解
大家可以很容易写出来
就是c1’应该就等于
他的分母
就是系数行列式
那我就给他写成一个表达式
就是y1y2‘-y2y1’
这是分母
分子我们也给他写上
写上应该就是-y2*f(x)
所以说他的一阶导数就求出来了
他的 c2的一阶导
分母仍然是系数行列式的值
y1y2‘-y2y1’
他的分子就变成了y1f(x)
所以c1c2的一阶导出来了
那么我们做不定积分
自然就会得到c1(x)
就=c1'(x)做不定积分
c2(x)也就等于c2‘做不定积分
我们用这个不定积分
表示他们的一个原函数
那么这样子的时候
我们要得到通解就出来了
也就是说
我们这个非齐次方程的通解
应该是c1y1+c2y2
这是他对应的齐次方程的通解
后面再加上
我们得到的这个c1c2
就是c1(x)y1(x)+c2(x)y2(x)
这里的这个c1c2是任意常数
而这两个是我们刚才构造的
那两个未知函数
实际上如果大家觉得
容易弄混的时候
你这个任意常数
可以用随便用另外两个记号
比如说我可以用α
用β来表示 也可以的
这样我们就得到了他的通解
那么这个所谓的
变动任意常数法
我们回过头来分析一下
实际上就是说
他通过引进两个新的未知函数
把我们求解
这一个二阶线性微分方程的问题
转化成求解一个线性方程组的问题
与做两个不定积分的计算问题
这样一般说来
就是从难度上
是把这个问题
通过多引进一个函数
降低了
所以说这应该是
求解咱们非齐次方程通解的一个常用的方法
接下来我们就用这个方法
来看两个简单的题目
第一个例题
我们就求解一下
两阶导加上一个y=一个tanx
那么这一个方程
尽管形式很简单
但是他的右端项
并不是我们待定系数法时要求的特殊形式
所以说这个方程
用待定系数法去求他的一个特解
我们是不会做的
但现在有了变动任意常数法
我们看这个问题我们的求解
因为他对应的齐次方程的特征根
应该是±i
所以说他对应的
齐次方程的两个线性无关方程的解
一个是cosx
一个是sinx
这就是我们待定系数法里面的y1y2
接下来我们就设
y就等于c1(x)cosx+c2(x)sinx
那就是说
我们直接就解
就是c1’cosx+c2‘sinx=0
然后c1’乘上cos的导数
也就是-sinx
再加上c2‘这是c2’
再乘上sin的导数
就是cosx
他应该等于这个右端项tanx
那在这里面
大家自然就应该能够解出c1‘和c2’
我们解c1‘的时候
比如说这个地方
我们给他乘一个正弦
这个地方乘一个余弦
两个一加
就把c1’消掉了
那么得到的就是c2‘
那在这两个方程里面
我第一个方程乘上sin
第二个方程乘上cos
两个方程一加
把c1’消掉
我就会得到c2‘
利用sin方加cos方=1
所以说我们就会推出
c2'应该=这面乘上cos
也就是等于sinx
所以我们的c2x
他的原函数
也就应该=-cosx
我们同样地
就是上面乘上cos
下面乘上sin
这样两个一减就把c2’消掉
我们就会得到
我们的c1‘
应该等于-tanx乘上sin
也就是sin方除上cosx
这也就等于一个-1/cosx+cosx
那么 对他做不定积分
也就是得到了c1x就=sinx
这是它的原函数
这个应该是个正切
所以就 唉 正割
这也就减掉
它的原函数
应该是ln(secx+tanx)
那么 有了c1 c2这两个函数
再用这个对应的
这个齐次方程的两个线性无关的解
我们自然就可以把
这个非齐次线性方程的通解求出来
也就是说 这个方程
如果用待定系数法
来求这个特解的时候
那当然 就是说 我们是
没法设特解形式的
但是用变动任意常数法
大家看
经过不太复杂的运算
我们就能得到他的通解
所以变动任意常数法
自然是比待定系数法更一般的方法
接下来我们看第二个例题
第二个例题
我们就看一下y’‘-y=2xe^x
这个方程 实际大家一看
这就是一个二阶线性常系数非齐次方程
而且右端项
是我们前面讨论
待定系数法时
能够处理的形式
现在对这个问题
我们用变动任意常数法
来求解看一下
也就是说
对这样的东西
既能用待定系数法求他的特解
自然也能用变动任意常数法来求
我们看一下变动任意常数法的解的过程
也就是说
我们先看他对应的特征方程
他是λ方-1=0
所以他的特征根是±1 ±1
也就是我们就知道
它对应的齐次方程的两个线性无关的解
一个是e^x 一个是e^(-x)
那么 利用变动任意常数法
我们就令他的解是y(x)=c1(x)e^x+c2(x)e^(-x)
我们直接来求解
直接来求解就是说
c1‘e^x+c2’e^(-x)应该=0
再一个方程是
c1‘乘上e^x的导数
还是她自己
再+c2’乘上e^(-x)的导数
有个负号
减掉c2‘e^(-x)
这面应该等于原来方程的右端项
也就是2xe^x
那么对这个方程来看
大家看我两个方程
一做加法
这个c2’就消掉了
消掉以后 这面把那个2xe^x消掉
所以直接就推出
c1‘就等于x
那么我们c1x自然就等于1/2x^2
接下来如果我第一个方程
减掉第二个方程
那么前面这一个项就消掉
这个时候
我们一做的时候
应该就会得到就是c2’
应该就等于一个负的
这面是一个2倍跟这个2消掉
这面应该有一个x
这面把这个给乘过去
应该是个e的2x次方
那么-xe^2x我们做不定积分
大家知道这是典型的分部积分法
用一次分部积分公式
自然就能把c2x也求出来
最后c1c2这两个未知函数得到了
再利用他对应的齐次方程的
两个线性无关的解
我们就能得到这个非齐次方程的通解
实际上
在这个变动任意常数法的过程中
我们在做不定积分的时候
没有碰到任何的困难
就是求的幂函数的原函数
和我们比较熟悉的
利用分部积分公式求原函数的这样的函数
实际这个题目
利用变动任意常数法
求解过程 对大家来说
应该是比待定系数法的计算量还要小
尽管他牵扯到了积分运算
但这种积分运算是我们熟悉的
这是关于二阶线性常系数非齐次方程
他的变动任意法
他的大概想法
以及用它来
处理一些具体的方程
这个例子
当然大家可能要问
如果他是二阶线性常系数的
那么 他齐次方程的两个线性无关的解
我们可以用特征法得到
那么 变动任意常数法
对一般的线性微分方程行不行
如果可以的时候
那么一般的线性齐次方程的线性无关的解
我怎么得到
实际在后面的章节里面
我们会做简单的介绍
-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