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=0
中,如果 y′,y 的系数 P(x),Q(x) 均为常数
y′′+py′+qy=0
其中 p,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,q 不全为常数,称其为二阶变系数齐次线性微分方程。
解法
称 r2+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
- 特征方程有两个不相等的实根:r1=r2
微分方程的通解为
y=C1er1x+C2er2x
- 特征方程有两个相等的实根:r1=r2
微分方程的通解为
y=(C1+C2x)er1x
- 特征方程有一对共轭复根:r1=α+βi,r2=α−βi(β=0)
此时微分方程的通解为
y=eαx(C1cosβx+C2sinβx)
拓展
n 阶常系数齐次线性微分方程的一般形式是
y(n)+p1y(n−1)+p2y(n−2)+⋯+pn−1y′+pny=0
其中 p1,p2,⋯,pn−1,pn 都是常数。
此时微分方程的特征方程为
rn+p1rn−1+p2rn−2+⋯+pn−1r+pn=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 |
k 重实根 r |
erx(C1+C2x+⋯+Ckxk−1) |
一对 k 重复根 r1,2=α±βi |
eαx[(C1+C2x+⋯+Ckxk−1)cosβx+(D1+D2x+⋯+Dkxk−1)sinβx] |
从代数学知道,n 次代数方程有 n 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 n 阶常系数齐次线性微分方程的通解
y=C1y1+C2y2+⋯+Cnyn
常系数非齐次线性微分方程
- y′′+py′+qy=Pm(x)eλx
λ 为特征方程的 k 重根,则设特解为
y∗=xkQm(x)eλx
- y′′+py′+qy=eλx[Pl(x)cosωx+Pn(x)sinωx]
λ±iω 为特征方程的 k 重根,则设特解为
y∗=xkeλx[Rm(x)cosωx+Rm(x)sinωx]
欧拉方程
xny(n)+p1xn−1y(n−1)+⋯+pn−1xy′+pny=f(x)
令 x=et,即 t=lnx