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低观点的话,就只能上技巧了吧?

摘要 :一种不涉及线性微分方程解的结构的方法。

一阶常系数线性非齐次微分方程的另解

对于非齐次方程

y′=p(x)y+q(x)xxxx其中,q(x)≠0(1)y'=p(x)y+q(x)\phantom{xxxx} \text{其中,} q(x)\neq 0 \tag{1}

即

y′−p(x)y=q(x)y'-p(x)y=q(x)

为了在上式左边得到导数乘法公式的形式

(f⋅g)′=f′⋅g+f⋅g′(2)(f\cdot g)'=f'\cdot g+f\cdot g' \tag{2}

等式两边同乘 f(x)f(x) ,即

y′⋅f(x)−p(x)y⋅f(x)=q(x)f(x)(3)y'\cdot f(x)-p(x)y\cdot f(x)=q(x)f(x) \tag{3}

比对公式(2),f(x)f(x) 应满足 f′(x)=−p(x)f(x)f'(x)=-p(x)f(x)

容易解得

f(x)=e−∫p(x)dx(4)f(x)=\mathrm{e}^{-\int p(x)dx} \tag{4}

(任意常数显然没有必要)

则(3)式可以化成 (y⋅f(x))′=q(x)f(x)(y\cdot f(x))'=q(x)f(x),解得

y=1f(x)(C+∫q(x)f(x)dx)y=\frac{1}{f(x)}(C+\int q(x)f(x)dx)

再带入(4),即有

y=e∫p(x)dx(C+∫q(x)e−∫p(x)dxdx)(5)y=\mathrm{e}^{\int p(x)dx}(C+\int q(x)\mathrm{e}^{-\int p(x)dx}dx) \tag{5}

本方法的核心在于凑出导数乘法公式形式,相当于再解一个齐次微分方程,思路比常数变易法要显然,因此也不必记忆公式,知道凑乘法的思路即可,而且容易推广到其它问题上(比如中值定理凑函数的问题,以及下面的高阶线性微分方程等)。

二阶常系数线性齐次方程

y′′+py′+qy=0y''+py'+qy=0

令 p=−(r1+r2)p=-(r_{1}+r_{2}), q=r1r2q=r_{1}r_{2},即 r1,r2r_{1}, r_{2} 是 x2+px+q=0x^{2}+px+q=0 的根,显然存在。则

y′′−(r1+r2)y′+r1r2y=0  ⟹  (y′′−r1y′)−r2(y′−r1y)=0  ⟹  (y′−r1y)′−r2(y′−r1y)=0\begin{aligned} y''-(r_{1}+r_{2})y'+r_{1}r_{2}y&=0 \\ \implies (y''-r_{1}y')-r_{2}(y'-r_{1}y)&=0 \\ \implies (y'-r_{1}y)'-r_{2}(y'-r_{1}y)&=0 \end{aligned}

可得

y′−r1y=C0er2x(6)y'-r_{1}y=C_{0}\mathrm{e}^{r_{2}x} \tag{6}

若 r1≠r2r_{1}\neq r_{2} :

对(6)式两边同时乘 e−r1x\mathrm{e}^{-r_{1}x} ,则有

e−r1xy′−r1e−r1xy=C0e(r2−r1)x  ⟹  (e−r1xy)′=C0e(r2−r1)x  ⟹  y=C0r2−r1er2x+C1er1x(7)\begin{aligned} \mathrm{e}^{-r_{1}x}y'-r_{1}\mathrm{e}^{-r_{1}x}y&=C_{0}\mathrm{e}^{(r_{2}-r_{1})x} \\ \implies (\mathrm{e}^{-r_{1}x}y)'&=C_{0}\mathrm{e}^{(r_{2}-r_{1})x} \\ \implies y&=\frac{C_{0}}{r_{2}-r_{1}}\mathrm{e}^{r_{2}x}+C_{1}\mathrm{e}^{r_{1}x} \tag{7} \end{aligned}

不妨记 C2=C0r2−r1C_{2}=\frac{C_{0}}{r_{2}-r_{1}} ,即

y=C2er2x+C1er1xy=C_{2}\mathrm{e}^{r_{2}x}+C_{1}\mathrm{e}^{r_{1}x}

若 r1=r2r_{1}=r_{2} ,记作rr :

对(6)式两边同时乘 e−rx\mathrm{e}^{-rx} ,则

e−rxy′−re−rxy=C0⇒(e−rxy)′=C0⇒y=C0xerx+C1erx(8)\begin{aligned} \mathrm{e}^{-rx}y'-r\mathrm{e}^{-rx}y&=C_{0} \\ \Rightarrow (\mathrm{e}^{-rx}y)'&=C_{0} \\ \Rightarrow y&=C_{0}x\mathrm{e}^{rx}+C_{1}\mathrm{e}^{rx} \tag{8} \end{aligned}

事实上,对(7)式取极限 r2→r1=rr_{2}\rightarrow r_{1}=r 亦可得到(8)式。

二阶常系数线性非齐次方程一般形式

y′′+py′+qy=f(x)y''+py'+qy=f(x)

与齐次方程类似处理,(y′−r1y)′−r2(y′−r1y)=f(x)(y'-r_{1}y)'-r_{2}(y'-r_{1}y)=f(x)

实质上,这等价于两个一阶线性非齐次方程:

u′−r2u=f(x)y′−r1y=u(x)\begin{aligned} u'-r_{2}u&=f(x) \\ y'-r_{1}y&=u(x) \end{aligned}

利用之前一阶线性非齐次方程中方法即可解出yy

一般地,对 nn 阶常系数线性微分方程 y(n)+a1y(n−1)+⋯+any=f(x)y^{(n)}+a_{1}y^{(n-1)}+\cdots +a_{n}y=f(x)

等价于求解 nn 个一阶非齐次微分方程:

un′−rnun=f(x)un−1′−rn−1un−1=un(x)⋮u2′−r2u2=u3(x)y′−r1y=u2\begin{aligned} u_{n}'-r_{n}u_{n}&=f(x) \\ u_{n-1}'-r_{n-1}u_{n-1}&=u_{n}(x) \\ &\vdots \\ u_{2}'-r_{2}u_{2}&=u_{3}(x) \\ y'-r_{1}y&=u_{2} \end{aligned}

(其中,r1,r2,⋯ ,rnr_{1},r_{2},\cdots ,r_{n} 是代数方程 xn+a1xn−1+⋯+an=0x^{n}+a_{1}x^{n-1}+\cdots +a_{n}=0 的根)

二阶常系数线性非齐次方程特殊形式

y′′+py′+qy=eαx[P(x)cos⁡βx+Q(x)sin⁡βx](9)y''+py'+qy=\mathrm{e}^{\alpha x} [ P(x)\cos \beta x+Q(x)\sin \beta x ] \tag{9}

(其中 P(x),Q(x)P(x),Q(x) 是 nn 次多项式)

这是前面一般形式的一种特殊的情况,只需要注意如下两个事实:

①由欧拉恒等式 eıx=cos⁡x+ısin⁡x\mathrm{e}^{\imath x}=\cos x+\imath \sin x,知上式右边可化为

S(x)eλxS(x)\mathrm{e}^{\lambda x}

其中,λ=α+ıβ\lambda =\alpha +\imath \beta,S(x)S(x)是适当的 nn 次多项式;

②对于 nn 次多项式 S(x)S(x),若 λ≠0\lambda \neq 0,则

∫S(x)eλx=T(x)eλx+C\int S(x)\mathrm{e}^{\lambda x}=T(x)\mathrm{e}^{\lambda x}+C

其中,T(x)T(x) 也是 nn 次多项式。

由此不难得到,对式(9)

若 α+ıβ\alpha +\imath \beta是方程x2+px+q=0x^{2}+px+q=0 的二重根

则 y=x2eαx[R(x)cos⁡βx+S(x)sin⁡βx]+C1xerx+C2erxy=x^{2}\mathrm{e}^{\alpha x} [ R(x)\cos \beta x+S(x)\sin \beta x ] +C_{1}x\mathrm{e}^{rx}+C_{2}\mathrm{e}^{rx}

若 α+ıβ\alpha +\imath \beta是方程x2+px+q=0x^{2}+px+q=0 的某个单根

则 y=xeαx[R(x)cos⁡βx+S(x)sin⁡βx]+C1er1x+C2er2xy=x\mathrm{e}^{\alpha x} [ R(x)\cos \beta x+S(x)\sin \beta x ] +C_{1}\mathrm{e}^{r_{1}x}+C_{2}\mathrm{e}^{r_{2}x}

若 α+ıβ\alpha +\imath \beta不是是方程x2+px+q=0x^{2}+px+q=0 的根

则 y=eαx[R(x)cos⁡βx+S(x)sin⁡βx]+C1er1x+C2er2xy=\mathrm{e}^{\alpha x} [ R(x)\cos \beta x+S(x)\sin \beta x ] +C_{1}\mathrm{e}^{r_{1}x}+C_{2}\mathrm{e}^{r_{2}x}

其中 R(x),S(x)R(x),S(x) 是待定的 nn 次多项式,r1,r2r_{1},r_{2}(或 rr)是方程 x2+px+q=0x^{2}+px+q=0 的根(或重根)。

欧拉方程

xny(n)+a1xn−1y(n−1)+⋯+any=f(x)x^{n}y^{(n)}+a_{1}x^{n-1}y^{(n-1)}+\cdots +a_{n}y=f(x)

令 x=etx=\mathrm{e}^{t},有

xky(k)=ddt((ddt−1)((ddt−2)(⋯(ddt−(k−1))y⋯ )))x^{k}y^{(k)}=\frac{d}{dt} \left( \left(\frac{d}{dt}-1\right) \left( \left(\frac{d}{dt}-2\right) \left( \cdots \left(\frac{d}{dt}-(k-1)\right)y \cdots \right) \right) \right)

则方程化为关于 tt 的常系数线性微分方程,可按前面nn阶常系数线性微分方程的方法求解。

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