对于一阶线性常微分方程,常用的方法是常数变易法:
对于方程:将y’+p(x)y=0中的常数变为函数求解非齐次方程
( ∫ q ( x ) ∗ e ∫ p ( x ) d x + c ) e ∫ − p ( x ) d x (\int q(x)*e^{ \int p(x)dx}+c)e^{ \int -p(x)dx} (∫q(x)∗e∫p(x)dx+c)e∫−p(x)dx
微分方程P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0为全微分方程的重要条件为
∂ P ∂ y = ∂ Q ∂ x \frac { \partial P } { \partial y }=\frac { \partial Q } { \partial x } ∂y∂P=∂x∂Q
如果存在 φ(x,y)使得
φ P d x + φ Q = 0 \varphi Pdx+\varphi Q=0 φPdx+φQ=0
为全微分方程,则将φ(x,y)称为方程的积分因子
∂ ( φ ∗ P ) ∂ y = φ ∂ ( φ ∗ Q ) ∂ x \frac {\partial (φ *P) } { \partial y }=\frac {φ \partial (φ *Q) } { \partial x } ∂y∂(φ∗P)=∂xφ∂(φ∗Q)
1. 1 Q ( ∂ P ∂ y − ∂ Q ∂ x ) = μ ( x ) [ 只 与 x 有 关 ] \frac { 1 } { Q }( \frac { \partial P } { \partial y }-\frac { \partial Q } { \partial x })=μ(x)[只与x有关] Q1(∂y∂P−∂x∂Q)=μ(x)[只与x有关]
则方程的积分因子 φ = φ ( x ) = e ∫ μ ( x ) d x φ=φ(x)=e^{\int μ(x) dx} φ=φ(x)=e∫μ(x)dx
2. − 1 P ( ∂ P ∂ y − ∂ Q ∂ x ) = μ ( y ) [ 只 与 y 有 关 ] -\frac { 1 } { P }( \frac { \partial P } { \partial y }-\frac { \partial Q } { \partial x })=μ(y)[只与y有关] −P1(∂y∂P−∂x∂Q)=μ(y)[只与y有关]
则方程的积分因子 φ = φ ( y ) = e ∫ μ ( y ) d y φ=φ(y)=e^{\int μ(y) dy} φ=φ(y)=e∫μ(y)dy
3.若φ(x,y)为
P(x,y)dx + Q(x,y)dy= 0的一个积分因子,并且φP(x, y)dx + φQ(x,y)dy = du(x,y),
则φ(x,y)F(u)也为方程(*)的一一个积分因子,其中F(u)是u的任一连续可微函数.
应用.如果P(x,y)dx + Q(x,y)dy= 0的积分因子不好确定,而其中p=P1+P2, Q=Q1+Q2,则上
式可写成
( P r d x + Q 1 d y ) + ( P 2 d x + Q z d y ) = 0 (Prdx + Q1dy) + (P2dx+ Qzdy)= 0 (Prdx+Q1dy)+(P2dx+Qzdy)=0
分别求出两组的积分因子,即存在φ1,φ2使得P1P1dx + P1Q1dy = du1,P2P2dx + φzQzdy = du2.
φ 1 ∗ F 1 ( u 1 ) = φ 2 ∗ F 2 ( u 2 ) φ1*F1(u1)= φ2*F2(u2) φ1∗F1(u1)=φ2∗F2(u2)
解的形式: g ( x ) e f ( x ) g(x)e^{f(x)} g(x)ef(x)
f ( x ) 为 正 比 例 函 数 f(x)为正比例函数 f(x)为正比例函数
注:这个第“0”定律是本文作者命名的
对于二阶常系数齐次常微分方程,有两个线性无关的特解
二阶常系数齐次常微分方程: y = e r x y=e^{rx} y=erx
当特征方程有
两个不同实根时:
两 解 线 性 无 关 两解线性无关 两解线性无关
两个相同实根时:
两 解 线 性 相 关 , 设 y 2 y 1 = u ( x ) , 带 入 得 u ′ ′ = 0 , 则 u ( x ) = k x 两解线性相关,设\frac{y2}{y1}=u(x),带入得u''=0,则u(x)=kx 两解线性相关,设y1y2=u(x),带入得u′′=0,则u(x)=kx
两个不同复根时:
r = α ± β i , 两 解 线 性 无 关 解 为 : e α x ( C 1 c o s ( β x ) + C 2 s i n ( β x ) ) r=α±βi,两解线性无关 解为:e^{αx}(C_{1}cos(βx)+C_{2}sin(βx)) r=α±βi,两解线性无关解为:eαx(C1cos(βx)+C2sin(βx))
解为: y = x k ∗ Q m ( x ) ∗ e λ x ( k 是 非 齐 次 项 的 λ 作 为 特 征 方 程 的 根 的 重 数 ( 0 / 1 / 2 ) ) y=x^k*Q_{m}(x)*e^{\lambda x}(k是非齐次项的 \lambda 作为特征方程的根的重数(0/1/2)) y=xk∗Qm(x)∗eλx(k是非齐次项的λ作为特征方程的根的重数(0/1/2))
解为: y = x k ∗ e a x ∗ ( R 1 m c o s ( β x ) + R 2 m s i n ( β x ) ) ( k 是 α ± β i x 作 为 特 征 方 程 的 根 的 重 数 ( 0 / 1 ) ) ( m = m a x ( l , n ) ) m 取 大 值 y=x^k*e^{ax}*(R_{1m}cos(βx)+R_{2m}sin(βx)) (k是 α±βi x作为特征方程的根的重数(0/1))(m=max(l,n)) \\ m取大值 y=xk∗eax∗(R1mcos(βx)+R2msin(βx))(k是α±βix作为特征方程的根的重数(0/1))(m=max(l,n))m取大值
∗ ∗ 注 意 多 了 一 个 x k ∗ ∗ **注意多了一个x^k** ∗∗注意多了一个xk∗∗
y’+P(x)y=Q(x)y^n的微分方程
其中n≠0并且n≠1,其中P(x),Q(x)为已知函数,因为当n=0,1时该方程是线性微分方程。
令z=y^{1-n}转化为一阶线性常微分方程
x n ∗ y ( n ) + P 1 ∗ x n − 1 ∗ y ( n − 1 ) + … … + P n − 1 ∗ x n − 1 ∗ y ( 1 ) + P n ∗ x n − n ∗ y ( 1 ) = f ( x ) x ^ { n }*y^{(n)}+P_{1}*x ^ { n-1}*y^{(n-1)}+……+P_{n-1}*x ^ { n-1}*y^{(1)}+P_{n}*x ^ { n-n}*y^{(1)}=f(x) xn∗y(n)+P1∗xn−1∗y(n−1)+……+Pn−1∗xn−1∗y(1)+Pn∗xn−n∗y(1)=f(x)
n阶线性变系数非齐次
令 x = e t , 有 x 1 ∗ y ( 1 ) = D y , 记 号 D 表 示 对 t 求 导 的 运 算 x=e^t,有x ^ { 1}*y^{(1)}= Dy,记号D表示对t求导的运算 x=et,有x1∗y(1)=Dy,记号D表示对t求导的运算
一 般 地 , 有 x k ∗ y ( k ) = D ( D − 1 ) . . . ( D − k + 1 ) y 一般地,有x ^ { k}*y^{(k)}= D(D- 1)...(D-k+ 1)y 一般地,有xk∗y(k)=D(D−1)...(D−k+1)y
把它代入欧拉方程,便得到一个以t为自变量的n阶常系数非齐次线性微分方程。
解法和二阶的方法一样,先求其次通解,再根据右端项求特解。
在求出这个方程的解后,把t换成 lnx ,即得原方程的解。
参考:
https://na.mbd.baidu.com/r/adrv9xXNAI?f=cp&u=f1f63e03e43635b1