7.3 二阶常系数线性常微分方程

高等数学 A1



周维祺

二阶常系数线性微分方程

微分算子与特征方程

  • 考虑映射 称为一微分算子

  • 齐次方程:; 非齐次方程

  • 注意到若,则

  • 称为该微分算子的特征方程

齐次方程的解

  • 若特征方程有两个相异的根,则均为齐次方程的解

  • 线性无关(两者之商不为常数)

  • 因此 是原方程的解

齐次方程的解

  • 若特征方程有重根,则是一个解

  • 设另一个线性无关的解为,则



齐次方程的解

  • 代入原方程得


  • 整理得


  • 以及 代入得

齐次方程的解

  • 因此原方程即

  • 显然 ,因此

  • 因此 是两个线性无关的解

  • 因此 是原方程的解

二阶常系数齐次线性微分方程

两个相异的根,则解为

有重根,则解为

例子

  • 满足的解,并求

  • 特征方程有根 , 通解

  • ,解得

  • 易见 ,因此即斐波那契数列

练习

  • 的解

  • 的解

  • 的解

  • 满足的解

非齐次方程的情形

一般而言,给出非齐次的一个特解较为困难,本课程只考虑以下情况

其中是常数,是一次多项式

(已经涵盖了教材中列举的时的两种情况)

非齐次方程的解

  • 设原方程的解为,记

  • 代入原方程左侧,前文已计算得


  • 利用,上式进一步化为

非齐次方程的解

  • 是原方程的解,即成立,即


  • 显然,因此


  • 因而是一多项式,其次数有三种情况,分别比较系数即可求解

非齐次方程的解



  • (即不是特征方程的根) ,则次多项式

  • , (即是特征方程的单根) ,则次多项式

  • (即是特征方程的重根) ,则次多项式

例子

  • 的解



  • 是特征方程的单根,因此次多项式,满足

  • 代入, 得
    解得

例子

  • 原方程的特解为,其中为常数

  • 解特征方程,得对应齐次方程的解为
    其中为常数

  • 常数可以吸收入常数,
    得原方程的解:

练习

  • 的解

  • 的解

  • 的解

练习

  • 的解

  • 的解

  • 满足的解

方程右侧为三角函数的情形

对于形如

只需求的解,再取实部或虚部即可

练习

的解

小结

  • 二阶常系数线性微分方程的概念

  • 微分算子、特征方程的概念及解的结构

  • 齐次方程的解法

  • 特定非齐次方程的解法