二階非齊次線性微分方程的特解
2019-12-03 10:53:12文/張敏二階常系數(shù)非齊次線性微分方程的表達式為y''+py'+qy=f(x),其特解y*設法分為:1.如果f(x)=P(x),Pn(x)為n階多項式;2.如果f(x)=P(x)e^αx,Pn(x)為n階多項式。

二階常系數(shù)齊次線性微分方程
標準形式
y″+py′+qy=0
特征方程
r^2+pr+q=0
通解
1.兩個不相等的實根:y=C1e^(r1x)+C2e^(r2x)
2.兩根相等的實根:y=(C1+C2x)e^(r1x)
3.一對共軛復根:r1=α+iβ,r2=α-iβ:y=e^(αx)*(C1cosβx+C2sinβx)
特解y*設法
1、如果f(x)=P(x),Pn(x)為n階多項式。
若0不是特征值,在令特解y*=x^k*Qm(x)*e^λx中,k=0,λ=0;因為Qm(x)與Pn(x)為同次的多項式,所以Qm(x)設法要根據(jù)Pn(x)的情況而定。
比如如果Pn(x)=a(a為常數(shù)),則設Qm(x)=A(A為另一個未知常數(shù));如果Pn(x)=x,則設Qm(x)=ax+b;如果Pn(x)=x^2,則設Qm(x)=ax^2+bx+c。
若0是特征方程的單根,在令特解y*=x^k*Qm(x)*e^λx中,k=1,λ=0,即y*=x*Qm(x)。
若0是特征方程的重根,在令特解y*=x^k*Qm(x)*e^λx中,k=2,λ=0,即y*=x^2*Qm(x)。
2、如果f(x)=P(x)e^αx,Pn(x)為n階多項式。
若α不是特征值,在令特解y*=x^k*Qm(x)*e^αx中,k=0,即y*=Qm(x)*e^αx,Qm(x)設法要根據(jù)Pn(x)的情況而定。
若α是特征方程的單根,在令特解y*=x^k*Qm(x)*e^αx中,k=1,即y*=x*Qm(x)*e^αx。
若α是特征方程的重根,在令特解y*=x^k*Qm(x)*e^λx中,k=2,即y*=x^2*Qm(x)*e^αx。
3、如果f(x)=[Pl(x)cos(βx)+Pn(x)sin(βx)]e^αx,Pl(x)為l階多項式,Pn(x)為n階多項式。
若α±iβ不是特征值,在令特解y*=x^k*[Rm1(x)cos(βx)+Rm2(x)sin(βx)]e^αx中,k=0,m=max{l,n},Rm1(x)與Rm2(x)設法要根據(jù)Pl(x)或Pn(x)的情況而定(同Qm(x)設法要根據(jù)Pn(x)的情況而定的原理一樣)。
即y*=[Rm1(x)cos(βx)+Rm2(x)sin(βx)]e^αx
若α±iβ不是特征值,在令特解y*=x^k*[Rm1(x)cos(βx)+Rm2(x)sin(βx)]e^αx中,k=1,即y*=x*[Rm1(x)cos(βx)+Rm2(x)sin(βx)]e^αx。
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