常微分方程|第四章 高階微分方程--常數變易法

2021-01-10 巖寶數學考研

之前討論了齊次線性微分方程的通解結構,下面我們來討論非齊次微分方程的通解結構。

考慮n階非齊次線性微分方程:

我們知道齊次微分方程:

就為其特殊形式,所以兩者之間解的性質與結構有很密切的聯繫。

我們可以很容易知道下面的性質:

「性質1」: 如果

「性質2」:(1)的任意兩個解之差為(2)的解。

「定理 1」:  設

為(1)的通解,其中:

證明:由性質1我們知道x為(1)的解,又由於

是(1)的通解;下面來證明其包含了(1)的所有解:

任取(1)的一個解

移項即可得到

證畢。

由上面的定理我們知道,要得到非齊次線性微分方程的通解,我們需要得到:(1)的一個解,以及(2)的通解,我們下面就來介紹第二章曾用過的方法——常數變易法。

就為(2)的通解,此時:把

此時代入(1)就得到

在(3)中對t微分:

我們令:

那麼:

對上述的x』對t微分,並令

繼續上面做法,在最後一次我們得到

第n-1個條件:

以及表達式:

最後對

將上面過程得到的

得到:

所以我們就得到了關於

其係數行列式就為朗斯基行列式

它不等於0(因為

積分得:

將得到的

(註:通過上面的思路我們知道主要的步驟為:A.求對應的齊次方程的通解;B.構造條件;求解

例子:求解方程

解:其對應的齊次方程為:

容易求得其基本解組為:cost與sint

「(註:利用特徵根法得到:

利用常數變易法:令:

代入即可得到關於

解得:

簡單積分就可以得到:

那麼:所求方程的通解就為:

習題:求解以下方程的通解:

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