适用:数一、数二、数三通用
地位:微分方程的核心考点,每年必考,直接支撑微分方程应用、物理建模
核心任务:掌握齐次方程特征根法,掌握非齐次方程特解形式与待定系数法
齐次方程:
$$ y''+py'+qy=0 $$
其中 $p$、$q$ 为常数。
非齐次方程:
$$ y''+py'+qy=f(x) $$
其中 $p$、$q$ 为常数,$f(x)$ 为已知函数。
解的结构:
(1)齐次方程通解:
若 $y_1(x)$、$y_2(x)$ 是齐次方程的两个线性无关解,则齐次方程通解为:
$$ Y=C_1y_1(x)+C_2y_2(x) $$
(2)非齐次方程通解:
若 $y^*(x)$ 是非齐次方程的一个特解,$Y$ 是齐次方程通解,则非齐次方程通解为:
$$ y=Y+y^* $$
即:
$$ y=C_1y_1(x)+C_2y_2(x)+y^*(x) $$
特征方程:
$$ r^2+pr+q=0 $$
特征根:
$$ r_{1,2}=\frac{-p\pm\sqrt{p^2-4q}}{2} $$
三种情形:
(1)两个不相等的实根:
$$ r_1\neq r_2 $$
通解:
$$ Y=C_1e^{r_1x}+C_2e^{r_2x} $$
(2)两个相等的实根:
$$ r_1=r_2=r $$
通解:
$$ Y=(C_1+C_2x)e^{rx} $$
(3)一对共轭复根:
$$ r_{1,2}=\alpha\pm\beta i $$
其中
$$ \alpha=-\frac p2,\quad \beta=\frac{\sqrt{4q-p^2}}{2} $$
通解:
$$ Y=e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x+C_2\sin\beta x) $$
(1)$f(x)=P_m(x)e^{\lambda x}$ 型:
其中 $P_m(x)$ 是 $m$ 次多项式。
设特解形式:
$$ y^*=x^kQ_m(x)e^{\lambda x} $$
其中 $Q_m(x)$ 是与 $P_m(x)$ 同次的待定多项式,$k$ 的取法:
(2)$f(x)=e^{\alpha x}[P_m(x)\cos\beta x+Q_n(x)\sin\beta x]$ 型:
设特解形式:
$$ y^*=x^ke^{\alpha x}[R_l(x)\cos\beta x+S_l(x)\sin\beta x] $$
其中 $l=\max{m,n}$,$R_l(x)$、$S_l(x)$ 是 $l$ 次待定多项式,$k$ 的取法:
| $f(x)$ | 特解形式 | $k$ 的取法 |
|---|---|---|
| $P_m(x)$ | $x^kQ_m(x)$ | $\lambda=0$ 是否为特征根 |
| $P_m(x)e^{\lambda x}$ | $x^kQ_m(x)e^{\lambda x}$ | $\lambda$ 是否为特征根 |
| $Ae^{\lambda x}$ | $x^kAe^{\lambda x}$ | $\lambda$ 是否为特征根 |
| $A\cos\beta x+B\sin\beta x$ | $x^k(C\cos\beta x+D\sin\beta x)$ | $\pm\beta i$ 是否为特征根 |
| $e^{\alpha x}(A\cos\beta x+B\sin\beta x)$ | $x^ke^{\alpha x}(C\cos\beta x+D\sin\beta x)$ | $\alpha\pm\beta i$ 是否为特征根 |
若 $y_1^*$ 是
$$ y''+py'+qy=f_1(x) $$
的特解,$y_2^*$ 是
$$ y''+py'+qy=f_2(x) $$
的特解,则
$$ y_1^+y_2^ $$
是
$$ y''+py'+qy=f_1(x)+f_2(x) $$
的特解。
特征根:
$$ r_{1,2}=\frac{-p\pm\sqrt{p^2-4q}}{2} $$
判别式:
$$ \Delta=p^2-4q $$
共轭复根:
$$ \alpha=-\frac p2,\quad \beta=\frac{\sqrt{4q-p^2}}{2} $$
通解形式:
$$ Y= \begin{cases} C_1e^{r_1x}+C_2e^{r_2x}, & \Delta>0\\ (C_1+C_2x)e^{rx}, & \Delta=0\\ e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x+C_2\sin\beta x), & \Delta<0 \end{cases} $$
例1
求解
$$ y''-3y'+2y=0 $$
解:
特征方程:
$$ r^2-3r+2=0 $$
$$ (r-1)(r-2)=0 $$
$$ r_1=1,\quad r_2=2 $$
通解:
$$ y=C_1e^x+C_2e^{2x} $$
例2
求解
$$ y''+y'-6y=0 $$
解:
特征方程:
$$ r^2+r-6=0 $$
$$ (r+3)(r-2)=0 $$
$$ r_1=-3,\quad r_2=2 $$
通解:
$$ y=C_1e^{-3x}+C_2e^{2x} $$
例3
求解
$$ y''-4y=0 $$
解:
特征方程:
$$ r^2-4=0 $$
$$ r_1=2,\quad r_2=-2 $$
通解:
$$ y=C_1e^{2x}+C_2e^{-2x} $$
例4
求解
$$ y''-4y'+4y=0 $$
解:
特征方程:
$$ r^2-4r+4=0 $$
$$ (r-2)^2=0 $$
$$ r=2 $$
通解:
$$ y=(C_1+C_2x)e^{2x} $$
例5
求解
$$ y''+6y'+9y=0 $$
解:
特征方程:
$$ r^2+6r+9=0 $$
$$ (r+3)^2=0 $$
$$ r=-3 $$
通解:
$$ y=(C_1+C_2x)e^{-3x} $$
例6
求解
$$ y''-2y'+y=0 $$
解:
特征方程:
$$ r^2-2r+1=0 $$
$$ (r-1)^2=0 $$
$$ r=1 $$
通解:
$$ y=(C_1+C_2x)e^x $$
例7
求解
$$ y''+y=0 $$
解:
特征方程:
$$ r^2+1=0 $$
$$ r=\pm i $$
所以:
$$ \alpha=0,\quad \beta=1 $$
通解:
$$ y=C_1\cos x+C_2\sin x $$
例8
求解
$$ y''+2y'+5y=0 $$
解:
特征方程:
$$ r^2+2r+5=0 $$
$$ r=\frac{-2\pm\sqrt{4-20}}{2} =\frac{-2\pm4i}{2} =-1\pm2i $$
所以:
$$ \alpha=-1,\quad \beta=2 $$
通解:
$$ y=e^{-x}(C_1\cos2x+C_2\sin2x) $$
例9
求解
$$ y''-4y'+13y=0 $$
解:
特征方程:
$$ r^2-4r+13=0 $$
$$ r=\frac{4\pm\sqrt{16-52}}{2} =\frac{4\pm6i}{2} =2\pm3i $$
所以:
$$ \alpha=2,\quad \beta=3 $$
通解:
$$ y=e^{2x}(C_1\cos3x+C_2\sin3x) $$
例10
求解
$$ y''+4y'+8y=0 $$
解:
特征方程:
$$ r^2+4r+8=0 $$
$$ r=\frac{-4\pm\sqrt{16-32}}{2} =\frac{-4\pm4i}{2} =-2\pm2i $$
所以:
$$ \alpha=-2,\quad \beta=2 $$
通解:
$$ y=e^{-2x}(C_1\cos2x+C_2\sin2x) $$
例11
求解
$$ y''-3y'+2y=e^x $$
解:
第一步:齐次方程通解。
特征方程:
$$ r^2-3r+2=0 $$
$$ r_1=1,\quad r_2=2 $$
$$ Y=C_1e^x+C_2e^{2x} $$
第二步:求特解。
$f(x)=e^x$,$\lambda=1$ 是单特征根,所以 $k=1$。
设
$$ y^*=Axe^x $$
$$ y^{*'}=Ae^x+Axe^x=A(1+x)e^x $$
$$ y^{*''}=A(2+x)e^x $$
代入原方程:
$$ A(2+x)e^x-3A(1+x)e^x+2Axe^x=e^x $$
化简:
$$ A[(2+x)-3(1+x)+2x]e^x=e^x $$
$$ A[2+x-3-3x+2x]e^x=e^x $$
$$ A[-1]e^x=e^x $$
所以:
$$ A=-1 $$
$$ y^*=-xe^x $$
第三步:通解。
$$ y=C_1e^x+C_2e^{2x}-xe^x $$
例12
求解
$$ y''-2y'+y=xe^x $$
解:
第一步:齐次方程通解。
特征方程:
$$ r^2-2r+1=0 $$
$$ r=1 $$
$$ Y=(C_1+C_2x)e^x $$
第二步:求特解。
$f(x)=xe^x$,$\lambda=1$ 是二重特征根,所以 $k=2$。
设
$$ y^*=x^2(Ax+B)e^x=(Ax^3+Bx^2)e^x $$
求导:
$$ y^{*'}=(3Ax^2+2Bx)e^x+(Ax^3+Bx^2)e^x $$
$$ =[Ax^3+(3A+B)x^2+2Bx]e^x $$
$$ y^{*''}=[3Ax^2+2(3A+B)x+2B]e^x+[Ax^3+(3A+B)x^2+2Bx]e^x $$
$$ =[Ax^3+(6A+B)x^2+(6A+4B)x+2B]e^x $$
代入原方程:
$$ y''-2y'+y=xe^x $$
$$ [Ax^3+(6A+B)x^2+(6A+4B)x+2B]e^x -2[Ax^3+(3A+B)x^2+2Bx]e^x +(Ax^3+Bx^2)e^x=xe^x $$
化简:
$$ x^3: A-2A+A=0 $$
$$ x^2: (6A+B)-2(3A+B)+B=0 $$
$$ x: (6A+4B)-4B=6A $$
$$ \text{常数}: 2B $$
所以:
$$ 6A=1\Rightarrow A=\frac16 $$
$$ 2B=0\Rightarrow B=0 $$
$$ y^*=\frac16x^3e^x $$
第三步:通解。
$$ y=(C_1+C_2x)e^x+\frac16x^3e^x $$
例13
求解
$$ y''+y=x^2 $$
解:
第一步:齐次方程通解。
特征方程:
$$ r^2+1=0 $$
$$ r=\pm i $$
$$ Y=C_1\cos x+C_2\sin x $$
第二步:求特解。
$f(x)=x^2$,$\lambda=0$ 不是特征根,所以 $k=0$。
设
$$ y^*=Ax^2+Bx+C $$
$$ y^{*'}=2Ax+B $$
$$ y^{*''}=2A $$
代入:
$$ 2A+Ax^2+Bx+C=x^2 $$
比较系数:
$$ A=1 $$
$$ B=0 $$
$$ 2A+C=0\Rightarrow C=-2 $$
所以:
$$ y^*=x^2-2 $$
第三步:通解。
$$ y=C_1\cos x+C_2\sin x+x^2-2 $$
例14
求解
$$ y''-y=e^x $$
解:
第一步:齐次方程通解。
特征方程:
$$ r^2-1=0 $$
$$ r=\pm1 $$
$$ Y=C_1e^x+C_2e^{-x} $$
第二步:求特解。
$f(x)=e^x$,$\lambda=1$ 是单特征根,所以 $k=1$。
设
$$ y^*=Axe^x $$
$$ y^{*'}=A(1+x)e^x $$
$$ y^{*''}=A(2+x)e^x $$
代入:
$$ A(2+x)e^x-Axe^x=e^x $$
$$ 2Ae^x=e^x $$
$$ A=\frac12 $$
$$ y^*=\frac12xe^x $$
第三步:通解。
$$ y=C_1e^x+C_2e^{-x}+\frac12xe^x $$
例15
求解
$$ y''+y=\cos x $$
解:
第一步:齐次方程通解。
$$ Y=C_1\cos x+C_2\sin x $$
第二步:求特解。
$f(x)=\cos x$,$\alpha=0$,$\beta=1$,$\alpha\pm\beta i=\pm i$ 是特征根,所以 $k=1$。
设
$$ y^*=x(A\cos x+B\sin x) $$
求导:
$$ y^{*'}=A\cos x+B\sin x+x(-A\sin x+B\cos x) $$
$$ =(A+Bx)\cos x+(B-Ax)\sin x $$
$$ y^{*''}=B\cos x-(A+Bx)\sin x-A\sin x+(B-Ax)\cos x $$
$$ =(2B-Ax)\cos x-(2A+Bx)\sin x $$
代入:
$$ y''+y=\cos x $$
$$ (2B-Ax)\cos x-(2A+Bx)\sin x+x(A\cos x+B\sin x)=\cos x $$
化简:
$$ \cos x: 2B-Ax+Ax=2B $$
$$ \sin x: -(2A+Bx)+Bx=-2A $$
所以:
$$ 2B=1\Rightarrow B=\frac12 $$
$$ -2A=0\Rightarrow A=0 $$
$$ y^*=\frac12x\sin x $$
第三步:通解。
$$ y=C_1\cos x+C_2\sin x+\frac12x\sin x $$
例16
求解
$$ y''-2y'+5y=e^x\cos2x $$
解:
第一步:齐次方程通解。
特征方程:
$$ r^2-2r+5=0 $$
$$ r=1\pm2i $$
$$ Y=e^x(C_1\cos2x+C_2\sin2x) $$
第二步:求特解。
$f(x)=e^x\cos2x$,$\alpha=1$,$\beta=2$,$\alpha\pm\beta i=1\pm2i$ 是特征根,所以 $k=1$。
设
$$ y^*=xe^x(A\cos2x+B\sin2x) $$
代入原方程,比较系数得:
$$ A=0,\quad B=\frac14 $$
$$ y^*=\frac14xe^x\sin2x $$
第三步:通解。
$$ y=e^x(C_1\cos2x+C_2\sin2x)+\frac14xe^x\sin2x $$
例17
求解
$$ y''+4y=\sin2x $$
解:
第一步:齐次方程通解。
$$ r^2+4=0 $$
$$ r=\pm2i $$
$$ Y=C_1\cos2x+C_2\sin2x $$
第二步:求特解。
$f(x)=\sin2x$,$\alpha=0$,$\beta=2$,$\pm2i$ 是特征根,所以 $k=1$。
设
$$ y^*=x(A\cos2x+B\sin2x) $$
求导:
$$ y^{*'}=(A+2Bx)\cos2x+(B-2Ax)\sin2x $$
$$ y^{*''}=(4B-4Ax)\cos2x-(4A+4Bx)\sin2x $$
代入:
$$ y''+4y=\sin2x $$
$$ (4B-4Ax)\cos2x-(4A+4Bx)\sin2x+4x(A\cos2x+B\sin2x)=\sin2x $$
化简:
$$ \cos2x: 4B-4Ax+4Ax=4B $$
$$ \sin2x: -4A-4Bx+4Bx=-4A $$
所以:
$$ 4B=0\Rightarrow B=0 $$
$$ -4A=1\Rightarrow A=-\frac14 $$
$$ y^*=-\frac14x\cos2x $$
第三步:通解。
$$ y=C_1\cos2x+C_2\sin2x-\frac14x\cos2x $$
例18
求解
$$ y''-y=e^x+\cos x $$
解:
第一步:齐次方程通解。
$$ Y=C_1e^x+C_2e^{-x} $$
第二步:分别求特解。
对于 $f_1(x)=e^x$:
$\lambda=1$ 是单特征根,$k=1$。
设
$$ y_1^*=Axe^x $$
代入得:
$$ A=\frac12 $$
$$ y_1^*=\frac12xe^x $$
对于 $f_2(x)=\cos x$:
$\pm i$ 不是特征根,$k=0$。
设
$$ y_2^*=B\cos x+C\sin x $$
代入得:
$$ B=-\frac12,\quad C=0 $$
$$ y_2^*=-\frac12\cos x $$
第三步:通解。
$$ y=C_1e^x+C_2e^{-x}+\frac12xe^x-\frac12\cos x $$
例19
求解
$$ y''+y=x+\sin x $$
解:
第一步:齐次方程通解。
$$ Y=C_1\cos x+C_2\sin x $$
第二步:分别求特解。
对于 $f_1(x)=x$:
$\lambda=0$ 不是特征根,$k=0$。
设
$$ y_1^*=Ax+B $$
代入得:
$$ A=1,\quad B=0 $$
$$ y_1^*=x $$
对于 $f_2(x)=\sin x$:
$\pm i$ 是特征根,$k=1$。
设
$$ y_2^*=x(C\cos x+D\sin x) $$
代入得:
$$ C=-\frac12,\quad D=0 $$
$$ y_2^*=-\frac12x\cos x $$
第三步:通解。
$$ y=C_1\cos x+C_2\sin x+x-\frac12x\cos x $$
例20
求解
$$ y''-3y'+2y=0,\quad y(0)=1,\ y'(0)=2 $$
解:
特征方程:
$$ r^2-3r+2=0 $$
$$ r_1=1,\quad r_2=2 $$
通解:
$$ y=C_1e^x+C_2e^{2x} $$
$$ y'=C_1e^x+2C_2e^{2x} $$
代入初始条件:
$$ y(0)=C_1+C_2=1 $$
$$ y'(0)=C_1+2C_2=2 $$
解得:
$$ C_2=1,\quad C_1=0 $$
所以:
$$ y=e^{2x} $$
例21
求解
$$ y''+4y=0,\quad y(0)=1,\ y'(0)=2 $$
解:
特征方程:
$$ r^2+4=0 $$
$$ r=\pm2i $$
通解:
$$ y=C_1\cos2x+C_2\sin2x $$
$$ y'=-2C_1\sin2x+2C_2\cos2x $$
代入初始条件:
$$ y(0)=C_1=1 $$
$$ y'(0)=2C_2=2\Rightarrow C_2=1 $$
所以:
$$ y=\cos2x+\sin2x $$
例22
求解
$$ y''-2y'+y=e^x,\quad y(0)=0,\ y'(0)=0 $$
解:
第一步:齐次方程通解。
$$ Y=(C_1+C_2x)e^x $$
第二步:求特解。
$f(x)=e^x$,$\lambda=1$ 是二重特征根,$k=2$。
设
$$ y^*=Ax^2e^x $$
代入得:
$$ A=\frac12 $$
$$ y^*=\frac12x^2e^x $$
第三步:通解。
$$ y=(C_1+C_2x)e^x+\frac12x^2e^x $$
第四步:代入初始条件。
$$ y'=(C_2+C_1+C_2x)e^x+\left(x+\frac12x^2\right)e^x $$
$$ y(0)=C_1=0 $$
$$ y'(0)=C_2+C_1=0\Rightarrow C_2=0 $$
所以:
$$ y=\frac12x^2e^x $$
例23
一弹簧振子满足
$$ \frac{d^2x}{dt^2}+4x=0 $$
初始位移 $x(0)=1$,初始速度 $x'(0)=0$,求位移 $x(t)$。
解:
特征方程:
$$ r^2+4=0 $$
$$ r=\pm2i $$
通解:
$$ x=C_1\cos2t+C_2\sin2t $$
代入初始条件:
$$ x(0)=C_1=1 $$
$$ x'(0)=2C_2=0\Rightarrow C_2=0 $$
所以:
$$ x=\cos2t $$
例24
一物体在阻尼介质中运动,满足
$$ \frac{d^2x}{dt^2}+2\frac{dx}{dt}+x=0 $$
初始位移 $x(0)=1$,初始速度 $x'(0)=0$,求位移 $x(t)$。
解:
特征方程:
$$ r^2+2r+1=0 $$
$$ (r+1)^2=0 $$
$$ r=-1 $$
通解:
$$ x=(C_1+C_2t)e^{-t} $$
代入初始条件:
$$ x(0)=C_1=1 $$
$$ x'=(C_2-C_1-C_2t)e^{-t} $$
$$ x'(0)=C_2-C_1=0\Rightarrow C_2=1 $$
所以:
$$ x=(1+t)e^{-t} $$
例25
已知曲线 $y=y(x)$ 满足
$$ y''-y=0 $$
且过点 $(0,1)$,在该点处切线斜率为 $2$,求曲线方程。
解:
特征方程:
$$ r^2-1=0 $$
$$ r=\pm1 $$
通解:
$$ y=C_1e^x+C_2e^{-x} $$
$$ y'=C_1e^x-C_2e^{-x} $$
代入初始条件:
$$ y(0)=C_1+C_2=1 $$
$$ y'(0)=C_1-C_2=2 $$
解得:
$$ C_1=\frac32,\quad C_2=-\frac12 $$
所以:
$$ y=\frac32e^x-\frac12e^{-x} $$
$$ Y=e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x+C_2\sin\beta x) $$
不要漏掉 $e^{\alpha x}$。
$$ Y=(C_1+C_2x)e^{rx} $$
不要写成 $C_1e^{rx}+C_2e^{rx}$。
$Q_m(x)$ 必须与 $P_m(x)$ 同次。
要仔细整理每一项。
$$ y=Y+y^* $$
若 $f(x)=f_1(x)+f_2(x)$,则特解为 $y_1^+y_2^$。
先求通解,再代入初始条件。
$$ \beta=\frac{\sqrt{4q-p^2}}{2} $$
若 $\alpha\pm\beta i$ 是特征根,必须乘 $x$。
要根据 $f(x)$ 的类型选择特解形式。
常见形式:
$$ y''+py'+qy=0 $$
处理方法:
常见形式:
$$ y''+py'+qy=f(x) $$
处理方法:
常见形式:
$$ y''+py'+qy=f(x),\quad y(0)=a,\ y'(0)=b $$
处理方法:
常见形式:
$$ y''+py'+qy=f_1(x)+f_2(x) $$
处理方法:
常见形式:
处理方法:
常见形式:
处理方法:
常见形式:
处理方法:
齐次方程:
$$ y''+py'+qy=0 $$
特征方程:
$$ r^2+pr+q=0 $$
特征根:
$$ r_{1,2}=\frac{-p\pm\sqrt{p^2-4q}}{2} $$
通解形式:
$$ Y= \begin{cases} C_1e^{r_1x}+C_2e^{r_2x}, & \Delta>0\\ (C_1+C_2x)e^{rx}, & \Delta=0\\ e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x+C_2\sin\beta x), & \Delta<0 \end{cases} $$
非齐次方程:
$$ y''+py'+qy=f(x) $$
通解:
$$ y=Y+y^* $$
特解形式:
$f(x)=P_m(x)e^{\lambda x}$:
$$ y^*=x^kQ_m(x)e^{\lambda x} $$
$f(x)=e^{\alpha x}(P_m\cos\beta x+Q_n\sin\beta x)$:
$$ y^*=x^ke^{\alpha x}(R_l\cos\beta x+S_l\sin\beta x) $$
$k$ 的取法:
共轭复根:
$$ \alpha=-\frac p2,\quad \beta=\frac{\sqrt{4q-p^2}}{2} $$
叠加原理:
$$ y_1^+y_2^\text{ 是 }f_1+f_2\text{ 的特解} $$
口诀:
特征方程求根,三种情形写通解;
非齐次设特解,$k$ 看是否为特征根;
多项式同次设,三角函数乘 $x$ 看情况;
通解等于齐次加特解,初始条件最后代。
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