谜の章 常微分方程

目录

1. 常微分方程

设有 \(y = y(x) = f(x)\). 基本概念:

  1. 一元方程 \(F(x, y, \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}, \ldots, \frac{\mathrm{d}^n y}{\mathrm{d}x^n})=0\)
  2. 导数的最高阶为 n,则称方程为 n 阶微分方程.

1.1.

  • 通解(常数 C 待定)
  • 特解(常数 C 一定).

1.2. 一阶微分方程

  • 可分离变量方程
  • 线性微分方程
  • 全微分方程

1.3. 二阶常数微分线性方程

\[ y^{\prime\prime} + a_1y^{\prime} + a_2 y = Q(x) \]

2. 求解方法:

  1. 令 \(Q(x) \equiv 0\), 求 \(y^{\prime\prime} + a_1y^{\prime} + a_2 y = 0\) 的通解 \(y_1(c_1, c_2)\).
  2. 求 \(Q(x) \ne 0\), \(y^{\prime\prime} + a_1y^{\prime} + a_2 y = Q(x)\) 的一组特解 \(y^{*}\).

则 \( y^{\prime\prime} + a_1y^{\prime} + a_2 y = Q(x) \) 的通解为: \[ y = y_1(c_1, c_2) + y^* \]

2.1. 通解 \(y_1(c_1, c_2)\) 解法: 特征根方法

  1. 其特征方程: \(r^2 + a_1 r + a_2 = 0\) 在复数域 \(\mathbb{C}\) 内求解.
  2. 要点: 特征方程 \(r^2 + a_1 r + a_2 = 0\)
方程的根 通解形式
\(r_1\ne r_2\), \(r_i\in \mathbb{R}\) \(y=C_1 e^{r_1 x} + C_2 e^{r_2 x}\)
\(r_1 = r_2\in\mathbb{R}\) \(y=(C_1 + C_2 x)e^{rx}\)
\(r_{1, 2} = \alpha + i\beta\) \(y = e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x + C_2\sin\beta x)\)

2.2. 特解 \(y^* \) 解法

记 \(y^{\prime\prime} + a_1y^{\prime} + a_2 y = f(x)\)

\(f(x)\) 形式 根与参数关系 \(y^* \) 的形式
\(p_m(x)e^{\alpha x}\) \(\alpha\) 非特征方程的根 \(e^{\alpha x}Q_m(x)\)
  \(\alpha = r_1 \ne r_2\) 为单根 \(xe^{\alpha x}Q_m(x)\)
  \(\alpha = r_1 = r_2\) 为二重根 \(x^2e^{\alpha x}Q_m(x)\)
\(p_m(x)e^{\alpha x}g(\beta x)\) \(\alpha \pm i\beta\) 非根 \(e^{\alpha x}G(x)\)
  \(\alpha \pm i\beta\) 是根 \(xe^{\alpha x}G(x)\)

其中 \(\alpha\in\mathbb{R}\), \(g\) 为 \(\sin\) 或 \(\cos\), \(G\) 为 \([R_m(x) \cos {\beta x} + S_m(x) \sin{\beta x}]\).

日期: 2019-01-17 Thu 15:03

作者: yuandi

Created: 2026-03-11 Wed 22:08