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常微分方程

常微分方程

作者: 一米阳光给的温暖 | 来源:发表于2020-06-02 11:32 被阅读0次

一、一阶线性微分方程

一般形式:
y'+p(x)y=Q(x)
Q(x)=0时,则方程为齐次方程,反之为非齐次。

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

特解:
特解是将通解中的C根据已知条件(定解条件)解出具体数,将C的值带入通解,得特解。

几何意义:
用于求曲线方程

特别题型:
有些题目给出的为积分方程,则需要对积分方程求导,还原为微分方程。

涉及知识点:
变限积分求导

二、二阶常系数线性微分方程

2.1 齐次方程

一般形式:y''+Py'+Qy=0 \qquad \color{red}{P和Q都为常数}

求通解:

  1. 列出特征方程:
    r^2+Pr+Q=0 \qquad \color{red}{几阶导r就为几次幂}
  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 非齐次方程

一般形式:y''+Py'+Qy=f(x) \qquad \color{red}{P和Q都为常数}
*注:非齐次方程求通解与求齐次方程相同
非齐次方程考查形式分为两种:① 求特解形式。② 求特解。
二阶微分方程为形式一,且m次数\geq1\次幂时,求y\ast''一般非常复杂,则可以利用推导公式,代入数据减少出错。
非齐次的通解就是齐次通解和非齐次特解相加,即:非齐次通解 = 齐次通解 + 非齐次特解

形式一:P_m(x)e^{\lambda x}形式

求特解形式(非具体特解):
方程一般形式:y''+Py'+Qy=P_m(x)e^{\lambda x}
特解形式为:
y^\ast=x^kQ_m(x)e^{\lambda x}
其中 k= \begin{cases} 0\quad\color{black}{当\lambda不是特征根}\\ 1\quad\color{black}{当\lambda是单特征根}\\ 2\quad\color{black}{当\lambda是二重特征根}\\ \end{cases}
Q_m(x)与P_m(x)都为m次的多项式(仅次数相同,值不一定相同):
Q_m(x)=a_0x^m+a_1x^{m-1}+\ldots+a_{m-1}x+a_m

特解推导公式:
\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)的二阶导数
Q'Q_m(x)的一阶导数
p:原式y'系数
q:原式y系数
k:求根据\lambda是否为特征根时确定k的取值
\lambda:根据原式确定\lambda的取值

解题思路:
①. 先求通解特征根r_1,r_2
②. 判断原式中\lambda是否为特征根,\lambda与特征根一个相同则为单根,两个则为二重根,则决定k的取值。
③. 根据P_m(x)的次数,决定Q_m(x)的次数,0次为常数a,1次则为a+bx,2次则为a+bx+cx^2 以此类推。
④. 确定k,\lambda,Q_m(x)则带入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

方程形式为:y''+Py'+Qy=(a\cos\omega x+b\sin\omega x)e^{\lambda x}
则特解形式为:
y^\ast=x^k(A\cos\omega x+B\sin\omega x)e^{\lambda x}\qquad \color{red}{A,B与原式a,b是不同的}
其中 k=\begin{cases} 0\quad\color{black}{当\lambda \pm i \omega不是特征根} \\ 1\quad\color{black}{当\lambda \pm i \omega是特征根} \\ \end{cases}
解题思路:
①. 先求通解特征根r_1,r_2
②. 判断原式中\lambda \pm i \omega是否为特征根,决定k的取值。
③. 确定k,\lambda则带入y^\ast=x^k(A\cos\omega x+B\sin\omega x)e^{\lambda x}得出特解y^\ast

特别题型:

  1. 形式一与形式二加起来的形式。
    例如y''-y'=e^x+4\cos x可以拆解为两种形式分别计算:
    \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}
    则原方程特解形式就为两种形式之和y^*=Axe^x + B\cos x+C \sin x

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