7.2 线性常微分方程概论

高等数学 A1



周维祺

一阶线性微分方程

齐次与线性

  • ,则称为(一阶)齐次线性方程,否则称为非齐次线性方程

  • 此处的齐次系指关于齐次,即原方程在的映射下不变

  • 此处的线性系指 是线性映射 (可与加法、数乘交换顺序)

齐次与非齐次方程的解

  • 给定非齐次方程及其对应的齐次方程

  • 是齐次方程的一个解,则 也是该方程的解

  • 是非齐次方程的一个解,则也是该方程的解

  • 都是非齐次方程的解,则是齐次方程的解

一阶线性方程的解法

  • 齐次方程可以分离变量:





  • 代入原方程, 得,积分解得

例子

  • 的解

  • 齐次方程的解:



  • 解:

练习

  • 的解

  • 的解 (提示:求解

  • 的解 (提示:令

  • 满足的特解(提示:先降阶)

二阶线性微分方程

高阶线性微分方程

函数组的线性无关性

给定实函数,若存在不全为的实数使得

时都成立,则称上线性相关

若上式仅在时成立,则称该组函数在上线性无关

函数组的线性组合

给定实函数,和实数

称为的一个线性组合

线性相关与线性组合

  • 例:上线性相关;

  • 例:上线性无关

  • 线性相关表示可以用线性组合相互表达
    例:若, 则

  • 线性无关表示无法用线性组合相互表达

高阶齐次线性微分方程解的结构

给定阶齐次线性微分方程

是其个线性无关的解,则的全部线性组合就是该方程的解集。

即该方程的解具有的形式,其中是任意的常数

高阶非齐次线性微分方程解的结构

给定阶非齐次线性微分方程

是其对应的齐次方程的解集

是该非齐次方程的一个解,则是该非齐次方程的解集

练习

  • 验证的解,并写出该方程的解集

  • 设线性无关函数都是的解,用的线性组合表示该方程的其它解

  • 已知都是的解,求此方程满足的特解

小结

  • 齐次性与线性性的含义

  • 齐次与非齐次方程及其解的关系

  • 一阶线性方程的解法

  • 高阶线性方程解的结构