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@@ -174,7 +174,7 @@ $y'=C(1+x^2)$$\therefore y=C_2\left(x+\dfrac{x^3}{3}+x\right)+C$。
% \subsection{常系数非齐次线性微分方程}
\subsection{基本解法}
\subsection{二阶微分方程通解}
先将常系数非齐次线性微分方程变为常系数齐次线性微分方程求解,然后加上非齐次方程的一个特解,就是非齐次方程的一个通解。
@@ -212,6 +212,64 @@ $y'=C(1+x^2)$$\therefore y=C_2\left(x+\dfrac{x^3}{3}+x\right)+C$。
最后$y_1^*=e^x(A\cos x+B\sin x)$。通解为$y=C_1e^x+C_2e^{3x}+e^x(A\cos x+B\sin x)+e^{3x}(ax+b)x$
\subsection{反推微分方程}
\subsubsection{齐次微分方程}
没有给出具体的解出方法,此时往往是给出特解,然后反推微分方程的形式,这时就需要根据特解求出特征方程。
\textbf{例题:}计算具有特解$y_1=e^{-x}$$y_2=2xe^{-x}$$y_3=3e^x$的三阶常系数齐次线性微分方程。
解:由于是三阶,且不是一般的微分方程求特解而是逆问题,就使用特征方程解。
因为有三个特解,根据解的形式,$r=-1,-1,1$,所以特征方程的形式为$(r+1)^2(r-1)=0$,即解出$r^3+r^2-r-1=0$,所以微分方程为$y'''+y''-y'-y=0$
\subsubsection{非齐次微分方程}
\paragraph{已知结构} \leavevmode \medskip
如果给出一个微分方程的具体形式,而携带参数,可以直接求导然后代入微分方程。
\textbf{例题:}$y=\dfrac{1}{2}e^{2x}+(x-\dfrac{1}{3})e^3$为二阶常系数非齐次线性微分方程$y''+ay'+by=ce^x$的一个特解,求对应参数。
解:直接代入法:直接求导$y'=e^{2x}+e^x(x+\dfrac{2}{3})$$y''=2e^{2x}+e^x(x+\dfrac{5}{3})$
直接代入,解得$a=-3$$b=2$$c=-1$
\textbf{例题:}$y=e^{2x}+(x+1)e^x$为二阶常系数非齐次线性微分方程$y''+ay'+by=ce^x$的一个特解,求对应参数和通解。
解:解结构法:由于是二阶非齐次方程,所以必然是两个通解加一个特解。
展开解$y=e^{2x}+xe^x+e^x$
由于已知解,所以$r=1$$r=2$,且非齐次为$ce^x$,所以$e^2x$为齐次方程的一个通解,非齐次方程的特解必然是在$xe^x$$e^x$之中。
由于$r=1$$xe^x$$e^x$的幂次都是$1$,而其中一个$r=1$,根据解的结构$Ae^{rx}x^k$,为单值根,所以$k=1$,所以特解必然存在$x^k$,所以$xe^x$为特解,$e^x$为通解。
所以特征方程为$(r-1)(r-2)=0$,对应$y''-3y'+2y=0$。然后直接代入求出$c$
\paragraph{未知结构} \leavevmode \medskip
\textbf{例题:}已知二阶非齐次线性方程具有三个特解$y_1=x-(x^2+1)$$y_2=3e^x-(x^2+1)$$y_3=2x-e^x-(x^2+1)$,求$y(0)=y'(0)=0$的特解。
解:非齐次,即$y''+py'+qy=f(x)$。由于是二阶所以有两个无关的特解。
所以$y_1-y_2$$y_1-y_3$为其齐次方程的两个通解(线性无关)。
通解为齐次方程通解加上非齐次一个特解:$y=C_1(y_1-y_2)+C_(y_1-y_3)+y_1$
然后代入,解出$y=e^x-x^2-x-1$
\subsection{高阶微分方程通解}
如果是三阶以及以上阶的微分方程,使用特征方程来解决。
由于三阶以以上的微分方程没有给出特解的形式,所以如果是高阶线性方程必然是齐次方程,直接根据特征方程得出特征值。
\textbf{例题:}求三阶常系数线性齐次微分方程$y'''-2y''+y'-2y=0$的通解。
解:得出特征方程$r^3-2r^2+r-2=0$,即$r^3-2r^2+r-2=0$$(r-2)(r^2+1)=0$,解得$r=2$$\pm i$,即得通解为$C_1e^{2x}+C_2\cos x+C_3\sin x$
\section{微分方程概念}
对于有些方程并不需要求解后才能解决问题。