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二阶以及高阶常系数微分方程的解法以及解的结构(以二阶为例)

掌握二阶常系数齐次线性微分方程的解法,并会解某些高于二阶的常系数齐次线性微分方程
会解自由项为多项式、指数函数、正弦函数、余弦函数以及它们的和与积的二阶常系数非齐次线性微分方程

二阶线性微分方程解的结构

可加性
考虑二阶齐次线性方程 ,设 是微分方程的两个解,则 也是方程的解
进一步,若 是微分方程的两个线性无关的特解,则 是方程的通解
二阶非齐次微分方程的通解
考虑二阶非齐次微分方程 是原方程的一个特解, 是对应的二阶齐次微分方程的两个线性无关的特解,则原方程的通解可以表示为
叠加原理
分别是方程 的特解,那么 是方程 的特解

二阶线性微分方程的解法

二阶常系数齐次线性微分方程的解法
考虑二阶常系数齐次线性微分方程 ,它的解具有形式 ,其中 是常数。将 代入 ,得到 ,于是有特征方程
1)当特征方程具有两个不同的实数根时,亦即存在 时原方程的两个线性无关的特解,于是 是方程的通解
2)当特征方程具有两个相同的实数根时,亦即 是方程的特解,假设方程有另一个不同的解 ,将之代入原方程,得到 ,由于 是特征方程的重根,故有 ,于是 ,于是方程的通解为
3)当特征方程具有两个共轭的复根时,亦即 是特征方程的两个根,则原方程有两个特解 ,所以微分方程的通解为

二阶常系数非齐次线性微分方程的解法
对于非齐次的方程,只需求出其特解,亦即对应的齐次方程的通解,加起来即得到原方程的通解
自由项为
1) 不是特征方程的根
特解为 次多项式 各项由待定系数法求得
2) 是特征方程的单根
特解为 次多项式 各项由待定系数法求得
3) 是特征方程的重根
特解为 次多项式 各项由待定系数法求得
自由项为
特解为 ,其中若 不是特征方程的根则k=0,若是单根则k=1

二阶变系数非齐次线性微分方程的解法——常数变易法
考虑非齐次线性方程 ,对应的齐次线性方程的通解为 ,则可以假设原方程的某个特解具有形式 ,假设 满足原方程,以及 ,将 代入原方程后,得 ,于是解得
,故有 ,
从而通解为












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