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
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
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
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
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
特解为 , ,其中若 不是特征方程的根则k=0,若是单根则k=1
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