二阶常系数非齐次线性微分方程@经典类型1的解

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二阶常系数非齐次线性微分方程@经典类型1

二阶常系数非齐次线性微分方程

二阶常系数非齐次线性微分方程的一般形式为 y ′ ′ + p y ′ + q y = f ( x ) y''+py'+qy=f(x) y′′+py′+qy=f(x)(1),其中 p , q p,q p,q是常数
求方程(1)的通解,归结为求对应齐次方程: y ′ ′ + p y ′ + q y = 0 y''+py'+qy=0 y′′+py′+qy=0(2)的通解 Y ( x ) Y(x) Y(x)和一个(1)的特解 y ∗ ( x ) y^*(x) y∗(x);则 Y ( x ) + y ∗ ( x ) Y(x)+y^*(x) Y(x)+y∗(x)为(1)的通解
对于非齐次的二阶常系数线性微分方程,仅有限的类型(以 f ( x ) f(x) f(x)的不同类型作区分)是容易解决的,这里介绍两种类型

类型1

当 f ( x ) f(x) f(x)= e λ x P m ( x ) e^{\lambda{x}}P_{m}(x) eλxPm(x)(2),其中 λ \lambda λ是常数, P m ( x ) P_{m}(x) Pm(x)为 x x x的一个** m m m次**多项式(设为 ∑ i = 0 m a i x i \sum_{i=0}^{m}a_ix^{i} ∑i=0maixi)
- 此时方程(1)表示为 y ′ ′ + p y ′ + q y y''+py'+qy y′′+py′+qy= e λ x P m ( x ) e^{\lambda{x}}P_{m}(x) eλxPm(x)(2-1)
- f ′ ( x ) f'(x) f′(x)= λ e λ x P m ( x ) \lambda e^{\lambda{x}}P_{m}(x) λeλxPm(x)+ e λ x P m ′ ( x ) e^{\lambda{x}}P_{m}'(x) eλxPm′(x)= e λ x ( λ P m ( x ) + P m ′ ( x ) ) e^{\lambda{x}}(\lambda{P_{m}(x)}+P_{m}'(x)) eλx(λPm(x)+Pm′(x))其中 Q m = λ P m ( x ) + P m ′ ( x ) Q_{m}=\lambda{P_{m}(x)}+P_{m}'(x) Qm=λPm(x)+Pm′(x)仍然是 m m m次多项式,继续求高阶导数,得到相仿的结论,即
- 此类型的特点是,多项式函数和指数型函数的乘积的导数仍然是多项式函数和指数型函数的乘积
- 再次可以推测 y ∗ y^* y∗= Q ( x ) e λ x Q(x)e^{\lambda{x}} Q(x)eλx(3)可能是方程(1)的特解
  - 其中 Q ( x ) Q(x) Q(x)是某个多项式
- 对(3)求导, y ∗ ′ y^{*'} y∗′= Q ′ ( x ) e λ x Q'(x)e^{\lambda{x}} Q′(x)eλx+ Q ( x ) λ e λ x Q(x)\lambda{e^{\lambda{x}}} Q(x)λeλx= e λ x ( Q ′ ( x ) + Q ( x ) λ ) e^{\lambda{x}}(Q'(x)+Q(x)\lambda) eλx(Q′(x)+Q(x)λ)(3-1)
  - y ∗ ′ ′ y^{*''} y∗′′= λ e λ x ( ( Q ′ ( x ) + Q ( x ) λ ) \lambda e^{\lambda{x}}((Q'(x)+Q(x)\lambda) λeλx((Q′(x)+Q(x)λ)+ e λ x ( Q ′ ′ ( x ) + λ Q ′ ( x ) ) e^{\lambda{x}}(Q''(x)+\lambda Q'(x)) eλx(Q′′(x)+λQ′(x))= e λ x ( λ 2 Q ( x ) + 2 λ Q ′ ( x ) + Q ′ ′ ( x ) ) e^{\lambda{x}}(\lambda^2{Q(x)}+2\lambda{Q'(x)}+Q''(x)) eλx(λ2Q(x)+2λQ′(x)+Q′′(x))(3-2)
- 将(3,3-1,3-2)代入方程(2-1),得 e λ x ( λ 2 Q ( x ) + 2 λ Q ′ ( x ) + Q ′ ′ ( x ) ) e^{\lambda{x}}(\lambda^2{Q(x)}+2\lambda{Q'(x)}+Q''(x)) eλx(λ2Q(x)+2λQ′(x)+Q′′(x))+ p e λ x ( Q ′ ( x ) + Q ( x ) λ ) pe^{\lambda{x}}(Q'(x)+Q(x)\lambda) peλx(Q′(x)+Q(x)λ)+ q Q ( x ) e λ x qQ(x)e^{\lambda{x}} qQ(x)eλx= e λ x P m ( x ) e^{\lambda{x}}P_{m}(x) eλxPm(x),整理得 Q ′ ′ ( x ) + ( 2 λ + p ) Q ′ ( x ) + ( λ 2 + p λ + q ) Q ( x ) Q''(x)+(2\lambda+p)Q'(x)+(\lambda^2+p\lambda+q)Q(x) Q′′(x)+(2λ+p)Q′(x)+(λ2+pλ+q)Q(x)= P m ( x ) P_{m}(x) Pm(x)(4)
根据 λ \lambda λ与方程(1)的特征方程 ( r 2 + p r + q = 0 ) (r^2+pr+q=0) (r2+pr+q=0)(5)的根(特征根)关系,分为:不是特征根,单根,重根,这三种情形讨论
- 若 λ \lambda λ不是(5)的根,则 λ 2 + p λ + q ≠ 0 \lambda^2+p\lambda+q\neq{0} λ2+pλ+q=0(5-1),
  - 由于 P m ( x ) P_{m}(x) Pm(x)是 m m m次多项式,要使(4)式两边相等,则 Q ( x ) Q(x) Q(x)必须也是 m m m次多项式,记为 Q ( x ) = Q m ( x ) Q(x)=Q_{m}(x) Q(x)=Qm(x)= ∑ i = 0 m b i x i \sum_{i=0}^{m}b_ix^{i} ∑i=0mbixi(6)
  - 将(6)代入方程(4),比较两边同次幂的系数,得到 0 ∼ m 0\sim{m} 0∼m次共 m + 1 m+1 m+1个方程
  - 解这 m + 1 m+1 m+1个方程,可得 b 0 , ⋯ , b m b_0,\cdots,b_m b0,⋯,bm
  - 代入(3),从而得到(2-1)的特解
- 若 λ \lambda λ是(5)的单根 (两个互异根中的一个),则 λ 2 + p λ + q = 0 \lambda^2+p\lambda+q={0} λ2+pλ+q=0(6-1)
  - 此处 λ \lambda λ是单根,设另一根是 λ ‾ \overline\lambda λ;由韦达定理: λ + λ ‾ = − p \lambda+\overline{\lambda}=-p λ+λ=−p,而 λ + λ ≠ λ + λ ‾ \lambda+\lambda\neq{\lambda+\overline{\lambda}} λ+λ=λ+λ,所以 2 λ ≠ − p 2\lambda\neq{-p} 2λ=−p,即 2 λ + p ≠ 0 2\lambda+p\neq{0} 2λ+p=0(7)
  - 此时方程(4)改写为 Q ′ ′ ( x ) + ( 2 λ + p ) Q ′ ( x ) Q''(x)+(2\lambda+p)Q'(x) Q′′(x)+(2λ+p)Q′(x)= P m ( x ) P_{m}(x) Pm(x);因此 Q ′ ( x ) Q'(x) Q′(x)必须是 m m m次多项式;相应的, Q ( x ) Q(x) Q(x)就得是 m + 1 m+1 m+1次多项式
  - 令 Q ( x ) = x Q m ( x ) Q(x)=xQ_m(x) Q(x)=xQm(x)(8);仍然可以用系数比较法确定出 Q m ( x ) Q_{m}(x) Qm(x)的系数 b 0 , b 1 , ⋯ , b m b_0,b_1,\cdots,b_m b0,b1,⋯,bm;就可以得出 Q m ( x ) Q_m(x) Qm(x),代入(8)得出 Q ( x ) Q(x) Q(x),再代入(3),得方程(2-1)的特解
- 若 λ \lambda λ是(5)的重根 ,此是也有(6-1)成立,并且 2 λ + p = 0 2\lambda+p=0 2λ+p=0(8-1)
  - 此时方程(4)改写为 Q ′ ′ ( x ) = P m ( x ) Q''(x)=P_{m}(x) Q′′(x)=Pm(x)
  - 要使方程(4)两端恒等,必有 Q ′ ′ ( x ) Q''(x) Q′′(x)为 m m m次多项式,从而可以令 Q ( x ) = x 2 Q m ( x ) Q(x)=x^2Q_{m}(x) Q(x)=x2Qm(x)
  - 同样使用系数比较法确定出 Q m ( x ) Q_{m}(x) Qm(x)的系数,从而得出 Q ( x ) Q(x) Q(x),最后代入(3)得出(2-1)的特解

小结

二阶常系数非齐次线性微分方程 y ′ ′ + p y ′ + q y y''+py'+qy y′′+py′+qy= P m ( x ) e λ x P_m(x)e^{\lambda{x}} Pm(x)eλx(1)具有形如 y ∗ = x k Q m ( x ) e λ x y^*=x^kQ_{m}(x)e^{\lambda{x}} y∗=xkQm(x)eλx的特解 , ( k = 0 , 1 , 2 ) (k=0,1,2) (k=0,1,2)
- 其中 Q m ( x ) Q_{m}(x) Qm(x), P m ( x ) P_m(x) Pm(x)是同为 m m m次多项式, Q m ( x ) Q_{m}(x) Qm(x)的 m + 1 m+1 m+1个系数由系数比较法构造 m + 1 m+1 m+1个方程分别求出
- k k k按照 λ \lambda λ是方程(1)的特征方程 r 2 + p r + q = 0 r^2+pr+q=0 r2+pr+q=0(2)的根的重数决定的,
  - 0 0 0重根, k = 0 k=0 k=0;(表示 λ \lambda λ不是方程(2)的根的简称)
  - 1 1 1重根, k = 1 k=1 k=1
  - 2 2 2重根, k = 2 k=2 k=2