高阶线性微分方程

常系数齐次线性微分方程

定义

在二阶齐次线性微分方程

y+P(x)y+Q(x)y=0y'' + P(x)y' + Q(x)y = 0

中,如果 yy'yy 的系数 P(x)P(x)Q(x)Q(x) 均为常数

y+py+qy=0y'' + py' + qy = 0

其中 p,qp,q 是常数,那么称其为二阶常系数齐次线性微分方程。如果 p,qp,q 不全为常数,称其为二阶变系数齐次线性微分方程

解法

r2+pr+q=0r^2 + pr + q=0 为微分方程的特征方程

微分方程的通解有三种不同的情形

  1. 特征方程有两个不相等的实根:r1r2r_1 \neq r_2

微分方程的通解为

y=C1er1x+C2er2xy = C_1 e^{r_1x} + C_2 e^{r_2x}

  1. 特征方程有两个相等的实根:r1=r2r_1 = r_2

微分方程的通解为

y=(C1+C2x)er1xy = (C_1 + C_2x) e^{r_1x}

  1. 特征方程有一对共轭复根:r1=α+βir_1 = \alpha + \beta ir2=αβir_2 = \alpha - \beta iβ0\beta \neq 0

此时微分方程的通解为

y=eαx(C1cosβx+C2sinβx)y = e^{\alpha x}(C_1 \cos \beta x + C_2 \sin \beta x)

拓展

nn 阶常系数齐次线性微分方程的一般形式是

y(n)+p1y(n1)+p2y(n2)++pn1y+pny=0y^{(n)} + p_1 y^{(n-1)} + p_2 y^{(n-2)} + \cdots + p_{n-1}y' + p_n y = 0

其中 p1,p2,,pn1,pnp_1,p_2,\cdots,p_{n-1},p_n 都是常数。

此时微分方程的特征方程为

rn+p1rn1+p2rn2++pn1r+pn=0r^n + p_1 r^{n-1} + p_2 r^{n-2} + \cdots + p_{n-1} r + p_n = 0

根据特征方程的根,可以写出其对应的微分方程的解如下:

特征方程的根 微分方程通解中的对应项
kk 重实根 rr erx(C1+C2x++Ckxk1)e^{rx}(C_1 + C_2x + \cdots + C_k x^{k-1})
一对 kk 重复根 r1,2=α±βir_{1,2} = \alpha \pm \beta i eαx[(C1+C2x++Ckxk1)cosβx+(D1+D2x++Dkxk1)sinβx]e^{\alpha x}[(C_1 + C_2x + \cdots + C_k x^{k-1})\cos \beta x + (D_1 + D_2 x + \cdots + D_k x^{k-1}) \sin \beta x]

从代数学知道,nn 次代数方程有 nn 个根(重根按重数计算),而特征方程的每一个根都对应着通解中的一项,且每项各含一个任意常数,这样就得到 nn 阶常系数齐次线性微分方程的通解

y=C1y1+C2y2++Cnyny = C_1 y_1 + C_2 y_2 + \cdots + C_n y_n

常系数非齐次线性微分方程

  1. y+py+qy=Pm(x)eλxy'' + py' + qy = P_m(x)e^{\lambda x}

λ\lambda 为特征方程的 kk 重根,则设特解为

y=xkQm(x)eλxy^* = x^k Q_m(x)e^{\lambda x}

  1. y+py+qy=eλx[Pl(x)cosωx+P~n(x)sinωx]y'' + py' + qy = e^{\lambda x}\left[P_l(x)\cos\omega x + \widetilde{P}_n(x)\sin\omega x\right]

λ±iω\lambda \pm i\omega 为特征方程的 kk 重根,则设特解为

y=xkeλx[Rm(x)cosωx+R~m(x)sinωx]y^* = x^k e^{\lambda x}\left[R_m(x)\cos\omega x + \widetilde{R}_m(x)\sin\omega x\right]

欧拉方程

xny(n)+p1xn1y(n1)++pn1xy+pny=f(x)x^n y^{(n)} + p_1 x^{n - 1}y^{(n - 1)} + \cdots + p_{n - 1}xy' + p_n y = f(x)

x=etx = e^t,即 t=lnxt = \ln x