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 > 二阶线性微分方程的变动任意常数法(之二)
前面我们讨论了
就是当我们知道了
齐次方程的一个非零解时
我们怎么样利用变动任意常数法的想法
来求解非齐次方程的通解
现在我们看另外一种情况
也就是说我考虑的方程
仍然是二阶线性非齐次方程
但现在我的条件是这样子的
我假设我们知道
y1(x)y2(x)是y''+a(x)y‘+b(x)y=0的
两个线性无关解
或者说我知道这个非齐次方程
这个非齐次方程他的通解
这是我的条件
如果这样子的时候
我怎么样利用这两个解
来求解原来的非齐次方程
实际上这个时候
他的变动任意常数法的想法
与二阶线性常系数非齐次方程的
变动任意常数法是一样的
也就是说我令y(x)=c1(x)y1(x)
再加上c2(x)y2(x)
满足这个非齐次方程
那为了得到c1c2的关系
我们自然还是要求他的一阶导数
以及他的两阶导数
然后 我们在往里面带的过程中
为了避免出现这两个函数的二阶导数
我们仍然是令
这个关系式是成立的
c1'*y1+c2'y2我们让他等0
这样 我们把一阶导二阶导求出来
以及原来的这个函数
代到原来方程去
我们就得到了
c1’ y1‘加上c2’ y2‘
等于f(x)
实际上
这个关于未知函数c1c2的方程组
我们前面是接触过的
这就是我们
在讨论二阶线性常系数非齐次方程的
变动任意常数法时
得到的那个方程组
也就是说
无论是二阶线性常系数非齐次方程
还是二阶线性非齐次方程
他的变动任意常数法
无论我们的求解思想
或者叫求解想法
以及我们最后得到的
未知函数满足的方程组
也就是说
这个地方应该是一阶导数
也就是无论我们得到的
这个未知函数满足的方程组
还是完全一样的
因为我们已经假设了
y1y2是这个齐次方程的两个线性无关解
所以在这个方程组里面
这个未知量的系数矩阵
他的行列式应该还是不等于0的
因为他是两个线性无关的
函数的朗斯基行列式
所以说我们照样可以这样写出来
c1’解出来应该就是
y1y2‘-y2y1’ 这是我们的分母
而我们的分子
应该就是-y2xf(x)
我们的c2一撇x
解出来应该就等于
分母当然还是系数矩阵的行列式
就是y1y2‘-y2y1’ 一撇
分子应该就是y1f(x)
这样我们做不定积分
就把c1c2求出来
好 这样我们就可以
把这个非齐次方程的通解写出来
也就是y(x)=αy1(x)+βy2(x)
这是他对应的齐次方程的通解
再加上他的特解
他的特解我们已经得到了
c1(x) 然后y1(x)是已知的
再加上c2(x)我们也求出来了
再乘上y2(x)
这样我们就得到了
这个非齐次方程的通解
这就是说 如果我们知道
他对应的齐次方程的
两个线性无关解的时候
我们可以这样来直接求解他的通解
当然前提是
对于二阶线性齐次方程来说
我们怎么样去求
他的一个非零特解
或者我们怎么样去求
他的两个线性无关的解
对于一般的线性齐次方程来说
我们怎么样得到一个他的非零特解
或者是说
我们得到他的两个线性无关的解
这个在微积分课程里面不做一般的介绍
但是有时候
我们对方程 特殊方程
可以通过观察法
得到他的一个非零解
这当然就是说
是一个对特殊的方程有效的方法
如果系数函数是幂函数时
我们可以利用所谓的幂级数解法
去得到他的一个非零解
或者是说
得到他的线性无关的解
在这个地方
我们只是假设了
已知他是他的线性无关解的时候
在这个前提下
我们得到了他的变动任意常数法
接下来我们看一个简单的例题
我们看这个方程
(x-1)y''-xy'+y=0
现在大家看一下
我的y1(x)=x满足不满足方程
实际上 你一验证就行了
两阶导是0
这个地方一阶导是1
这就是-x再加上y加x=0
所以这是他的一个解
接下来我们看一下y2(x)=ex
那么因为ex求一阶导和求两阶导
与他自身是一样的
所以大家把他带进去
把ex提出去
自然这个还是等0的
所以说对这个方程
我们就知道了
他的两个解
而且这两个解
我们很容易能够证明他是线性无关的
现在我们的问题是说
在这个条件下
我们来求解(x-1)y''-xy'+y=(x-1)^2的通解
那根据这个条件
我们做这个题目的时候
是不就可以这样说
我就令 我的y(x)
就等于c1(x)x+c2(x)ex
然后我去解
解下面这个方程组
也就是c1‘x+c2’ex=0
然后c1‘ x求导是1
再加上c2’
ex求导 还是他本身
这面应该等于x-1的平方
这样子时候
我们求c1
求c1的时候
大家看一下
我只要两个方程一减就行了
一减第二项消掉
也就是说这时候我的c1‘
应该就等于是-(x-1)
那么c1x我们就可以求出来
他应该就等于
1的原函数是x
-x的原函数是-1/2x^2
所以说我们的c1就求出来了
那么我要想求
这个c2的时候
大家看一下
我只要两个方程
就在第二个方程两端同乘上x
第二个方程减掉第一个方程
那就应该是
把这个c1’给消掉了
好接下来我们看
我们怎么样求
我们的c2(x)
也就是在第二个方程两端
我们同乘上x
那么第二个方程减掉第一个方程
就把c1‘消掉了
所以这个时候
我们就推出
我们的c2’
这面应该就是(x-1)e^(-x)
这时候我们做一个不定积分
就是这样我们c2(x)
应该-1乘上e-x的原函数
应该就是e-x
接下来还有一个xe-x
我们用分部积分
分部积分应该是减掉xe-x
然后在一个-e-x
所以应该是等于-xe-x
这就是我们的c2(x)
所以说我们这个方程的通解
y(x)应该就等于
我们的c1x+c2ex
最后再加上他的一个特解
特解应该就是(x-1/2x^2) 再乘上x
再加上也就是-xe^-x再乘上ex
当然这些大家都可以给他
稍微整理一下
这就是我们最后求的
这个二阶线性
非齐次方程他的通解
这是利用变动任意常数法求解
所以对于变动任意常数法来说
实际上无论是常系数还是非常系数
我们的处理思想或者处理方法是一样的
实际上给大家留个练习
这练习也就是说
如果对于三阶的问题
说我一个三阶的方程
加上a(x)两阶导加b(x)一阶导
再加上c(x)y=f(x)
现在如果我知道
他对应的齐次方程的
三个线性无关的解y1 y2 y3
那请大家看一下
我能不能用所谓的
变动任意常数法的想法
来求解这个方程
如果可以的时候
那么我们对
这个c1c2c3这三个函数
应该加什么样的条件
实际上我们是可以
对这样的三阶线性非齐次方程
用变动任意常数法进行求解的
只要大家在处理的过程中
对这三个新的未知函数
加适当的条件
最后我们处理的应该是关于
c1c2c3这三个函数一阶导数
满足的线性方程组
最后解出来
跟我们二阶方程的
变动任意常数法的处理方法是一样的
只是解代数方程组的时候
由两阶的 由两个未知量的
变成了三个未知量的
实际上这个想法
我们可以一直推广到n阶线性微分方程
只是在解代数方程组时
由于未知量个数的增多
计算量就变得越来越大
所以我们就只以二阶的为例来做介绍
-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