高等数学第七章---微分方程(§7.4-§7.5可降阶的高阶微分方程、二阶线性微分方程)
§7.4 可降阶的高阶微分方程
某些类型的高阶微分方程可以通过适当的变量代换,将其阶数降低,从而化为阶数较低的方程进行求解。
一、 y ( n ) = f ( x ) y^{(n)}=f(x) y(n)=f(x) 型方程
特征:方程的左端是 y y y 的 n n n 阶导数,右端是仅含 x x x 的函数。
解法:对此类高阶微分方程,可以通过对 f ( x ) f(x) f(x) 进行 n n n 次逐次积分求出其通解。每积分一次,就会出现一个任意常数。
例 1
解方程 y ′ ′ = e 2 x − cos x y^{\prime\prime}=e^{2 x}-\cos x y′′=e2x−cosx
解:
该方程属于 y ( n ) = f ( x ) y^{(n)}=f(x) y(n)=f(x) 型。对原方程右端连续积分两次:
y ′ = ∫ ( e 2 x − cos x ) d x = 1 2 e 2 x − sin x + C 1 , y = ∫ ( 1 2 e 2 x − sin x + C 1 ) d x = 1 4 e 2 x + cos x + C 1 x + C 2 \begin{align*} y^{\prime} &= \int\left(e^{2 x}-\cos x\right) d x = \frac{1}{2} e^{2 x}-\sin x+C_1, \\ y &= \int\left(\frac{1}{2} e^{2 x}-\sin x+C_1\right) d x = \frac{1}{4} e^{2 x}+\cos x+C_1 x+C_2 \end{align*} y′y=∫(e2x−cosx)dx=21e2x−sinx+C1,=∫(21e2x−sinx+C1)dx=41e2x+cosx+C1x+C2
其中 C 1 , C 2 C_1, C_2 C1,C2 为任意常数。
例 2
解方程 d 5 y d x 5 − 1 x d 4 y d x 4 = 0 \frac{d^5 y}{d x^5}-\frac{1}{x}\frac{d^4 y}{d x^4}=0 dx5d5y−x1dx4d4y=0
解:
该方程可以看作是关于 y ( 4 ) y^{(4)} y(4) 的方程。
令 u = d 4 y d x 4 u = \frac{d^4 y}{d x^4} u=dx4d4y,则 d 5 y d x 5 = d u d x \frac{d^5 y}{d x^5}=\frac{d u}{d x} dx5d5y=dxdu。原方程化为:
d u d x − 1 x u = 0 \frac{d u}{d x}-\frac{1}{x} u=0 dxdu−x1u=0
这是关于 u u u 和 x x x 的一阶齐次线性方程(也是可分离变量方程)。
分离变量得 d u u = d x x \frac{du}{u} = \frac{dx}{x} udu=xdx。
积分得 ln ∣ u ∣ = ln ∣ x ∣ + ln ∣ C 1 ′ ∣ \ln|u| = \ln|x| + \ln|C_1'| ln∣u∣=ln∣x∣+ln∣C1′∣,即 u = C 1 x u=C_1 x u=C1x (其中 C 1 = ± C 1 ′ C_1 = \pm C_1' C1=±C1′,也可为0)。
于是有:
d 4 y d x 4 = C 1 x \frac{d^4 y}{d x^4} = C_1 x dx4d4y=C1x
对此方程进行逐次积分:
d 3 y d x 3 = ∫ C 1 x d x = 1 2 C 1 x 2 + C 2 d 2 y d x 2 = ∫ ( 1 2 C 1 x 2 + C 2 ) d x = 1 6 C 1 x 3 + C 2 x + C 3 d y d x = ∫ ( 1 6 C 1 x 3 + C 2 x + C 3 ) d x = 1 24 C 1 x 4 + 1 2 C 2 x 2 + C 3 x + C 4 y = ∫ ( 1 24 C 1 x 4 + 1 2 C 2 x 2 + C 3 x + C 4 ) d x = 1 120 C 1 x 5 + 1 6 C 2 x 3 + 1 2 C 3 x 2 + C 4 x + C 5 \begin{align*} \frac{d^3 y}{d x^3} &= \int C_1 x dx = \frac{1}{2} C_1 x^2+C_2 \\ \frac{d^2 y}{d x^2} &= \int \left(\frac{1}{2} C_1 x^2+C_2\right) dx = \frac{1}{6} C_1 x^3+C_2 x+C_3 \\ \frac{d y}{d x} &= \int \left(\frac{1}{6} C_1 x^3+C_2 x+C_3\right) dx = \frac{1}{24} C_1 x^4+\frac{1}{2} C_2 x^2+C_3 x+C_4 \\ y &= \int \left(\frac{1}{24} C_1 x^4+\frac{1}{2} C_2 x^2+C_3 x+C_4\right) dx = \frac{1}{120} C_1 x^5+\frac{1}{6} C_2 x^3+\frac{1}{2} C_3 x^2+C_4 x+C_5 \end{align*} dx3d3ydx2d2ydxdyy=∫C1xdx=21C1x2+C2=∫(21C1x2+C2)dx=61C1x3+C2x+C3=∫(61C1x3+C2x+C3)dx=241C1x4+21C2x2+C3x+C4=∫(241C1x4+21C2x2+C3x+C4)dx=1201C1x5+61C2x3+21C3x2+C4x+C5
其中 C 1 , C 2 , C 3 , C 4 , C 5 C_1, C_2, C_3, C_4, C_5 C1,C2,C3,C4,C5 为任意常数。
二、 y ′ ′ = f ( x , y ′ ) y^{\prime\prime}=f\left(x, y^{\prime}\right) y′′=f(x,y′) 型方程(不显含 y y y 型)
特征:方程中不显含未知函数 y y y,只含 x , y ′ , y ′ ′ x, y', y'' x,y′,y′′。
步骤:
- 换元降阶:令 y ′ = p ( x ) y^{\prime}=p(x) y′=p(x),则 y ′ ′ = d p d x = p ′ y^{\prime\prime}=\frac{d p}{d x}=p^{\prime} y′′=dxdp=p′。原方程化为关于 p p p 和 x x x 的一阶微分方程 p ′ = f ( x , p ) p^{\prime}=f(x, p) p′=f(x,p)。
- 解一阶方程:解此一阶微分方程 p ′ = f ( x , p ) p^{\prime}=f(x, p) p′=f(x,p),得其通解 p = p ( x , C 1 ) p=p\left(x, C_1\right) p=p(x,C1)。
- 反代积分:将 p p p 替换回 y ′ y^{\prime} y′,即 y ′ = p ( x , C 1 ) y^{\prime}=p\left(x, C_1\right) y′=p(x,C1),再对此方程积分一次,得到原方程的通解 y = ∫ p ( x , C 1 ) d x + C 2 y = \int p(x, C_1) dx + C_2 y=∫p(x,C1)dx+C2。
例 3
解方程 y ′ ′ = 1 x y ′ + x e x y^{\prime\prime}=\frac{1}{x} y^{\prime}+x e^x y′′=x1y′+xex
解:
该方程不显含 y y y。令 y ′ = p ( x ) y^{\prime}=p(x) y′=p(x),则 y ′ ′ = d p d x = p ′ y^{\prime\prime}=\frac{d p}{d x}=p^{\prime} y′′=dxdp=p′。代入原方程有:
p ′ = 1 x p + x e x ⇒ p ′ − 1 x p = x e x p^{\prime}=\frac{1}{x} p+x e^x \quad \Rightarrow \quad p^{\prime}-\frac{1}{x} p=x e^x p′=x1p+xex⇒p′−x1p=xex
这是关于 p p p 和 x x x 的一阶非齐次线性微分方程。
其通解公式为 p = e − ∫ P ( x ) d x ( ∫ Q ( x ) e ∫ P ( x ) d x d x + C 1 ) p = e^{-\int P(x)dx} \left( \int Q(x) e^{\int P(x)dx} dx + C_1 \right) p=e−∫P(x)dx(∫Q(x)e∫P(x)dxdx+C1),其中 P ( x ) = − 1 x , Q ( x ) = x e x P(x)=-\frac{1}{x}, Q(x)=x e^x P(x)=−x1,Q(x)=xex。
∫ P ( x ) d x = ∫ − 1 x d x = − ln ∣ x ∣ \int P(x)dx = \int -\frac{1}{x} dx = -\ln|x| ∫P(x)dx=∫−x1dx=−ln∣x∣。
e ∫ P ( x ) d x = e − ln ∣ x ∣ = 1 ∣ x ∣ e^{\int P(x)dx} = e^{-\ln|x|} = \frac{1}{|x|} e∫P(x)dx=e−ln∣x∣=∣x∣1。
e − ∫ P ( x ) d x = e ln ∣ x ∣ = ∣ x ∣ e^{-\int P(x)dx} = e^{\ln|x|} = |x| e−∫P(x)dx=eln∣x∣=∣x∣。
为方便计算,可取 e ∫ P ( x ) d x = 1 x e^{\int P(x)dx} = \frac{1}{x} e∫P(x)dx=x1 和 e − ∫ P ( x ) d x = x e^{-\int P(x)dx} = x e−∫P(x)dx=x (常数因子可并入 C 1 C_1 C1)。
p = x ( ∫ x e x ⋅ 1 x d x + C 1 ) = x ( ∫ e x d x + C 1 ) = x ( e x + C 1 ) p = x \left( \int x e^x \cdot \frac{1}{x} d x + C_1 \right) = x \left( \int e^x d x + C_1 \right) = x (e^x + C_1) p=x(∫xex⋅x1dx+C1)=x(∫exdx+C1)=x(ex+C1)
因此, y ′ = x e x + C 1 x y^{\prime} = x e^x + C_1 x y′=xex+C1x。
再次积分:
y = ∫ ( x e x + C 1 x ) d x = ∫ x e x d x + C 1 ∫ x d x = ( x e x − ∫ e x d x ) + 1 2 C 1 x 2 + C 2 = ( x − 1 ) e x + 1 2 C 1 x 2 + C 2 \begin{align*} y &= \int (x e^x + C_1 x) d x \\ &= \int x e^x dx + C_1 \int x dx \\ &= (x e^x - \int e^x dx) + \frac{1}{2} C_1 x^2 + C_2 \\ &= (x - 1) e^x + \frac{1}{2} C_1 x^2 + C_2 \end{align*} y=∫(xex+C1x)dx=∫xexdx+C1∫xdx=(xex−∫exdx)+21C1x2+C2=(x−1)ex+21C1x2+C2
其中 C 1 , C 2 C_1, C_2 C1,C2 为任意常数。
三、 y ′ ′ = f ( y , y ′ ) y^{\prime\prime}=f\left(y, y^{\prime}\right) y′′=f(y,y′) 型方程(不显含 x x x 型)
特征:方程中不显含自变量 x x x,只含 y , y ′ , y ′ ′ y, y', y'' y,y′,y′′。
步骤:
- 换元降阶:令 y ′ = p ( y ) y^{\prime}=p(y) y′=p(y),视 p p p 为 y y y 的函数。则 y ′ ′ = d p d x = d p d y ⋅ d y d x = p d p d y y^{\prime\prime}=\frac{d p}{d x} = \frac{d p}{d y} \cdot \frac{d y}{d x} = p \frac{d p}{d y} y′′=dxdp=dydp⋅dxdy=pdydp。原方程化为关于 p p p 和 y y y 的一阶微分方程 p d p d y = f ( y , p ) p \frac{d p}{d y} = f(y, p) pdydp=f(y,p)。
- 解一阶方程:解此一阶微分方程,得其通解 p = p ( y , C 1 ) p=p\left(y, C_1\right) p=p(y,C1)(或隐式解 Φ ( y , p , C 1 ) = 0 \Phi(y,p,C_1)=0 Φ(y,p,C1)=0)。
- 反代求解:将 p p p 替换回 y ′ y^{\prime} y′,即 y ′ = p ( y , C 1 ) y^{\prime}=p\left(y, C_1\right) y′=p(y,C1) (或 d y d x = p ( y , C 1 ) \frac{dy}{dx}=p(y,C_1) dxdy=p(y,C1))。这是一个可分离变量(或其他类型)的一阶方程,求解得到原方程的通解,可能包含 y y y 和 x x x 的隐式关系。
例 4
解方程 y y ′ ′ − ( y ′ ) 2 = 0 y y^{\prime\prime}-\left(y^{\prime}\right)^2=0 yy′′−(y′)2=0
解:
该方程不显含 x x x。令 y ′ = p ( y ) y^{\prime}=p(y) y′=p(y),则 y ′ ′ = p d p d y y^{\prime\prime}=p \frac{d p}{d y} y′′=pdydp。代入原方程得:
y ⋅ p d p d y − p 2 = 0 y \cdot p \frac{d p}{d y} - p^2 = 0 y⋅pdydp−p2=0
当 p = 0 p=0 p=0 时,即 y ′ = 0 y'=0 y′=0,则 y = C y=C y=C (常数)。代入原方程 C ⋅ 0 − 0 2 = 0 C \cdot 0 - 0^2 = 0 C⋅0−02=0,成立。故 y = C y=C y=C 是解。
当 p ≠ 0 p \neq 0 p=0 时,方程两边同除以 p p p:
y d p d y − p = 0 ⇒ y d p d y = p y \frac{d p}{d y} - p = 0 \quad \Rightarrow \quad y \frac{d p}{d y} = p ydydp−p=0⇒ydydp=p
假设 y ≠ 0 y \neq 0 y=0,分离变量得 d p p = d y y \frac{d p}{p}=\frac{d y}{y} pdp=ydy。
两边积分得 ln ∣ p ∣ = ln ∣ y ∣ + ln ∣ C 1 ′ ∣ \ln|p| = \ln|y| + \ln|C_1'| ln∣p∣=ln∣y∣+ln∣C1′∣ (其中 C 1 ′ > 0 C_1' > 0 C1′>0),即 ∣ p ∣ = C 1 ′ ∣ y ∣ |p| = C_1' |y| ∣p∣=C1′∣y∣。
所以 p = C 1 y p=C_1 y p=C1y (其中 C 1 = ± C 1 ′ C_1 = \pm C_1' C1=±C1′,可以为任意实数)。
此 p = C 1 y p=C_1 y p=C1y 包含了 p = 0 p=0 p=0 (当 C 1 = 0 C_1=0 C1=0 时) 的情况。
于是, y ′ = C 1 y y^{\prime}=C_1 y y′=C1y。
这是一个一阶齐次线性方程(也是可分离变量方程)。
若 C 1 = 0 C_1=0 C1=0,则 y ′ = 0 ⇒ y = C 2 y'=0 \Rightarrow y=C_2 y′=0⇒y=C2。
若 C 1 ≠ 0 C_1 \neq 0 C1=0,分离变量 d y y = C 1 d x \frac{dy}{y} = C_1 dx ydy=C1dx。
积分得 ln ∣ y ∣ = C 1 x + C 2 ′ \ln|y| = C_1 x + C_2' ln∣y∣=C1x+C2′,故 y = ± e C 2 ′ e C 1 x y = \pm e^{C_2'} e^{C_1 x} y=±eC2′eC1x。
令 C 2 = ± e C 2 ′ C_2 = \pm e^{C_2'} C2=±eC2′ (则 C 2 ≠ 0 C_2 \neq 0 C2=0),则 y = C 2 e C 1 x y = C_2 e^{C_1 x} y=C2eC1x。
综合 C 1 = 0 C_1=0 C1=0 和 C 1 ≠ 0 C_1 \neq 0 C1=0 的情况,以及 y = 0 y=0 y=0 (当 C 2 = 0 C_2=0 C2=0 时),通解可以表示为:
y = C 2 e C 1 x y = C_2 e^{C_1 x} y=C2eC1x
其中 C 1 , C 2 C_1, C_2 C1,C2 为任意常数。(注: y = 0 y=0 y=0 也是原方程的解,包含在通解中当 C 2 = 0 C_2=0 C2=0 时。)
§7.5 二阶线性微分方程
一、二阶线性微分方程的定义
-
二阶齐次线性微分方程 (Homogeneous Linear DE):
y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = 0 y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=0 y′′+P(x)y′+Q(x)y=0
其中 P ( x ) , Q ( x ) P(x), Q(x) P(x),Q(x) 是已知函数。 -
二阶非齐次线性微分方程 (Nonhomogeneous Linear DE):
y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = f ( x ) y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=f(x) y′′+P(x)y′+Q(x)y=f(x)
其中 P ( x ) , Q ( x ) , f ( x ) P(x), Q(x), f(x) P(x),Q(x),f(x) 是已知函数,且 f ( x ) ≢ 0 f(x) \not\equiv 0 f(x)≡0。
若 f ( x ) ≡ 0 f(x) \equiv 0 f(x)≡0,则方程退化为齐次方程。
二、二阶线性微分方程的解的结构
1. y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = 0 y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=0 y′′+P(x)y′+Q(x)y=0 (齐次方程) 的解的结构
(1) 解的叠加原理:
若 y 1 ( x ) y_1(x) y1(x) 和 y 2 ( x ) y_2(x) y2(x) 是齐次方程 y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = 0 y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=0 y′′+P(x)y′+Q(x)y=0 的两个解,则它们的任意线性组合 y = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) y=C_1 y_1(x)+C_2 y_2(x) y=C1y1(x)+C2y2(x) (其中 C 1 , C 2 C_1, C_2 C1,C2 为任意常数) 也是该方程的解。
注: 此线性组合 y = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) y=C_1 y_1(x)+C_2 y_2(x) y=C1y1(x)+C2y2(x) 必定是解,但不一定是通解。它成为通解的条件是 y 1 ( x ) y_1(x) y1(x) 和 y 2 ( x ) y_2(x) y2(x) 线性无关。
(2) 函数组的线性相关和线性无关性 (Linear Dependence and Independence)
设函数组 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) , ⋯ , y n ( x ) y_1(x), y_2(x), \cdots, y_n(x) y1(x),y2(x),⋯,yn(x) 定义在区间 I I I 上。如果存在 n n n 个不全为零的常数 k 1 , k 2 , ⋯ , k n k_1, k_2, \cdots, k_n k1,k2,⋯,kn,使得在区间 I I I 上恒有:
k 1 y 1 ( x ) + k 2 y 2 ( x ) + ⋯ + k n y n ( x ) ≡ 0 k_1 y_1(x)+k_2 y_2(x)+\cdots+k_n y_n(x)\equiv 0 k1y1(x)+k2y2(x)+⋯+knyn(x)≡0
则称该函数组在区间 I I I 上线性相关。否则,称它们线性无关 (即仅当 k 1 = k 2 = ⋯ = k n = 0 k_1=k_2=\cdots=k_n=0 k1=k2=⋯=kn=0 时,上述恒等式才成立)。
注 (判别两个函数线性相关与线性无关的方法):
对于定义在区间 I I I 上的两个函数 y 1 ( x ) y_1(x) y1(x) 和 y 2 ( x ) y_2(x) y2(x):
- 若 y 1 ( x ) y 2 ( x ) = k \frac{y_1(x)}{y_2(x)} = k y2(x)y1(x)=k (常数) (在 y 2 ( x ) ≠ 0 y_2(x) \neq 0 y2(x)=0 的点上),则 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) y_1(x), y_2(x) y1(x),y2(x) 线性相关。
- 若 y 1 ( x ) y 2 ( x ) ≠ 常数 \frac{y_1(x)}{y_2(x)} \neq \text{常数} y2(x)y1(x)=常数 (或 y 1 ( x ) / y 2 ( x ) y_1(x)/y_2(x) y1(x)/y2(x) 不是常数函数),则 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) y_1(x), y_2(x) y1(x),y2(x) 线性无关。
(更一般的判别方法是使用朗斯基行列式 (Wronskian determinant))
(3) 齐次方程通解的结构:
若 y 1 ( x ) y_1(x) y1(x) 和 y 2 ( x ) y_2(x) y2(x) 是二阶齐次线性方程 y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = 0 y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=0 y′′+P(x)y′+Q(x)y=0 的两个线性无关的解 (称为一个基本解组),则该方程的通解为:
y = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) y=C_1 y_1(x)+C_2 y_2(x) y=C1y1(x)+C2y2(x)
其中 C 1 , C 2 C_1, C_2 C1,C2 为任意常数。
注 (推广): 若 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) , ⋯ , y n ( x ) y_1(x), y_2(x), \cdots, y_n(x) y1(x),y2(x),⋯,yn(x) 是 n n n 阶齐次线性方程 y ( n ) + P 1 ( x ) y ( n − 1 ) + ⋯ + P n − 1 ( x ) y ′ + P n ( x ) y = 0 y^{(n)}+P_1(x) y^{(n-1)}+\cdots+P_{n-1}(x) y^{\prime}+P_n(x) y=0 y(n)+P1(x)y(n−1)+⋯+Pn−1(x)y′+Pn(x)y=0 的 n n n 个线性无关的解,则其通解为:
y = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) + ⋯ + C n y n ( x ) y = C_1 y_1(x) + C_2 y_2(x) + \cdots + C_n y_n(x) y=C1y1(x)+C2y2(x)+⋯+Cnyn(x)
其中 C 1 , C 2 , ⋯ , C n C_1, C_2, \cdots, C_n C1,C2,⋯,Cn 为任意常数。
2. y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = f ( x ) y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=f(x) y′′+P(x)y′+Q(x)y=f(x) (非齐次方程) 的解的结构
(1) 两个特解之差的性质:
若 y 1 ∗ ( x ) y_1^*(x) y1∗(x) 和 y 2 ∗ ( x ) y_2^*(x) y2∗(x) 是非齐次方程 y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = f ( x ) y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=f(x) y′′+P(x)y′+Q(x)y=f(x) 的任意两个解,则它们的差 y h ( x ) = y 1 ∗ ( x ) − y 2 ∗ ( x ) y_h(x) = y_1^*(x)-y_2^*(x) yh(x)=y1∗(x)−y2∗(x) 必是对应的齐次线性方程 y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = 0 y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=0 y′′+P(x)y′+Q(x)y=0 的一个解。
(2) 非齐次方程通解的结构:
若 y ∗ ( x ) y^*(x) y∗(x) 是非齐次方程 y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = f ( x ) y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=f(x) y′′+P(x)y′+Q(x)y=f(x) 的一个特解 (any particular solution),而 Y ( x ) Y(x) Y(x) 是对应的齐次方程 y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = 0 y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=0 y′′+P(x)y′+Q(x)y=0 的通解 (general solution of the homogeneous equation),则该非齐次方程的通解为:
y = Y ( x ) + y ∗ ( x ) y = Y(x) + y^*(x) y=Y(x)+y∗(x)
即:非齐次方程的通解 = 对应齐次方程的通解 + 非齐次方程的任一特解。
(3) 解的叠加原理 (针对非齐次项):
若 y 1 ∗ ( x ) y_1^*(x) y1∗(x) 是方程 y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = f 1 ( x ) y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=f_1(x) y′′+P(x)y′+Q(x)y=f1(x) 的一个特解,
而 y 2 ∗ ( x ) y_2^*(x) y2∗(x) 是方程 y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = f 2 ( x ) y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y=f_2(x) y′′+P(x)y′+Q(x)y=f2(x) 的一个特解,
则 y ∗ ( x ) = y 1 ∗ ( x ) + y 2 ∗ ( x ) y^*(x) = y_1^*(x)+y_2^*(x) y∗(x)=y1∗(x)+y2∗(x) 是方程 y ′ ′ + P ( x ) y ′ + Q ( x ) y = f 1 ( x ) + f 2 ( x ) y^{\prime\prime}+P(x) y^{\prime}+Q(x) y = f_1(x)+f_2(x) y′′+P(x)y′+Q(x)y=f1(x)+f2(x) 的一个特解。
练习与答案
- 解下列微分方程:
- (1) y ′ ′ = x + sin x y^{\prime\prime}=x+\sin x y′′=x+sinx
- (2) y ′ ′ = y ′ + x y^{\prime\prime}=y^{\prime}+x y′′=y′+x
- (3) y y ′ ′ + 2 ( y ′ ) 2 = 0 y y^{\prime\prime}+2\left(y^{\prime}\right)^2=0 yy′′+2(y′)2=0
- 试求 y ′ ′ = x y^{\prime\prime}=x y′′=x 的一个积分曲线,该曲线经过点 ( 0 , 1 ) (0,1) (0,1),且在该点与直线 y = x 2 + 1 y=\frac{x}{2}+1 y=2x+1 相切。
(提示: 经过点 ( 0 , 1 ) (0,1) (0,1) 意味着 y ( 0 ) = 1 y(0)=1 y(0)=1。在该点与直线 y = x 2 + 1 y=\frac{x}{2}+1 y=2x+1 相切意味着在该点的斜率相同,即 y ′ ( 0 ) = 1 2 y'(0) = \frac{1}{2} y′(0)=21。)
- 已知 y 1 = 1 , y 2 = x , y 3 = x 2 y_1=1, y_2=x, y_3=x^2 y1=1,y2=x,y3=x2 是某二阶非齐次线性方程的 3 个解,求该微分方程的通解。
(提示: 利用非齐次方程解的结构 (1) 和 (2)。例如, y 2 − y 1 y_2-y_1 y2−y1 和 y 3 − y 1 y_3-y_1 y3−y1 是对应齐次方程的解。判断它们是否线性无关,然后构造齐次方程的通解。再任选一个作为特解。)