常微分方程

一、一階線性微分方程

一般形式:
y'+p(x)y=Q(x)
當(dāng)Q(x)=0時(shí),則方程為齊次方程,反之為非齊次。

通解:
通解公式: y=e^{-\int P(x)dx}[\int Q(x) \cdot e^{\int P(x)dx}+C]

特解:
特解是將通解中的C根據(jù)已知條件(定解條件)解出具體數(shù),將C的值帶入通解,得特解。

幾何意義:
用于求曲線方程

特別題型:
有些題目給出的為積分方程,則需要對(duì)積分方程求導(dǎo),還原為微分方程。

涉及知識(shí)點(diǎn):
變限積分求導(dǎo)

二、二階常系數(shù)線性微分方程

2.1 齊次方程

一般形式:y''+Py'+Qy=0 \qquad \color{red}{P和Q都為常數(shù)}

求通解:

  1. 列出特征方程:
    r^2+Pr+Q=0 \qquad \color{red}{幾階導(dǎo)r就為幾次冪}
  2. 求特征根:
    一元二次方程求根公式\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}解出r_1,r_2。
    • r_1 \neq r_2 \qquad y=C_1e^{r_1 x}+C_2 e^{r_2x}
    • r_1=r_2=r \qquad y=C_1e^{rx}+C_2xe^{rx}
    • r=\alpha \pm i \beta \qquad y=e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x+C_2\sin\beta x)

2.2 非齊次方程

一般形式:y''+Py'+Qy=f(x) \qquad \color{red}{P和Q都為常數(shù)}
*注:非齊次方程求通解與求齊次方程相同
非齊次方程考查形式分為兩種:① 求特解形式。② 求特解。
二階微分方程為形式一,且m次數(shù)\geq1\次冪時(shí),求y\ast''一般非常復(fù)雜,則可以利用推導(dǎo)公式,代入數(shù)據(jù)減少出錯(cuò)。
非齊次的通解就是齊次通解和非齊次特解相加,即:非齊次通解 = 齊次通解 + 非齊次特解

形式一:P_m(x)e^{\lambda x}形式

求特解形式(非具體特解):
方程一般形式:y''+Py'+Qy=P_m(x)e^{\lambda x}
特解形式為:
y^\ast=x^kQ_m(x)e^{\lambda x}
其中 k= \begin{cases} 0\quad\color{black}{當(dāng)\lambda不是特征根}\\ 1\quad\color{black}{當(dāng)\lambda是單特征根}\\ 2\quad\color{black}{當(dāng)\lambda是二重特征根}\\ \end{cases}
Q_m(x)與P_m(x)都為m次的多項(xiàng)式(僅次數(shù)相同,值不一定相同):
Q_m(x)=a_0x^m+a_1x^{m-1}+\ldots+a_{m-1}x+a_m

特解推導(dǎo)公式:
\left[ Q''+(p+2 \lambda)Q'+(\lambda p+\lambda^2 +q)Q \right]x^k +\left[(pk+2 \lambda k )Q+2kQ' \right]x^{k-1} +[(k^2-k)Q]x^{k-2}=P_m(x)
Q''Q_m(x)的二階導(dǎo)數(shù)
Q'Q_m(x)的一階導(dǎo)數(shù)
p:原式y'系數(shù)
q:原式y系數(shù)
k:求根據(jù)\lambda是否為特征根時(shí)確定k的取值
\lambda:根據(jù)原式確定\lambda的取值

解題思路:
①. 先求通解特征根r_1,r_2。
②. 判斷原式中\lambda是否為特征根,\lambda與特征根一個(gè)相同則為單根,兩個(gè)則為二重根,則決定k的取值。
③. 根據(jù)P_m(x)的次數(shù),決定Q_m(x)的次數(shù),0次為常數(shù)a,1次則為a+bx,2次則為a+bx+cx^2 以此類(lèi)推。
④. 確定k,\lambda,Q_m(x)則帶入y^\ast=x^kQ_m(x)e^{\lambda x}得出特解y^\ast

形式二:(a\cos\omega x+b\sin\omega x)e^{\lambda x}形式

方程形式為:y''+Py'+Qy=(a\cos\omega x+b\sin\omega x)e^{\lambda x}
則特解形式為:
y^\ast=x^k(A\cos\omega x+B\sin\omega x)e^{\lambda x}\qquad \color{red}{A,B與原式a,b是不同的}
其中 k=\begin{cases} 0\quad\color{black}{當(dāng)\lambda \pm i \omega不是特征根} \\ 1\quad\color{black}{當(dāng)\lambda \pm i \omega是特征根} \\ \end{cases}
解題思路:
①. 先求通解特征根r_1,r_2。
②. 判斷原式中\lambda \pm i \omega是否為特征根,決定k的取值。
③. 確定k,\lambda則帶入y^\ast=x^k(A\cos\omega x+B\sin\omega x)e^{\lambda x}得出特解y^\ast

特別題型:

  1. 形式一與形式二加起來(lái)的形式。
    例如y''-y'=e^x+4\cos x可以拆解為兩種形式分別計(jì)算:
    \begin{cases} y''-y'=e^x \qquad y^\ast_1=x\cdot Ae^x \\ y''-y'=4\cos x \qquad y^\ast_2=B \cos x+C \sin x \\ \end{cases}
    則原方程特解形式就為兩種形式之和y^*=Axe^x + B\cos x+C \sin x
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