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2次微分方程的通解
第六节 二阶常系数齐次线性微分方程
教学目的:使学生掌握二阶常系数齐次线性微分方程的解法,了解二阶常系数非齐次线性微分方程的解法
教学重点:二阶常系数齐次线性微分方程的解法
教学过程:
一、二阶常系数齐次线性微分方程
二阶常系数齐次线性微分方程: 方程
y??+py?+qy=0
称为二阶常系数齐次线性微分方程, 其中p、q均为常数.
如果y1、y2是二阶常系数齐次线性微分方程的两个线性无关解, 那么y=C1y1+C2y2就是它的通解.
我们看看, 能否适当选取r, 使y=erx 满足二阶常系数齐次线性微分方程, 为此将y=erx代入方程
y??+py?+qy=0
得
(r 2+pr+q)erx =0.
由此可见, 只要r满足代数方程r2+pr+q=0, 函数y=erx就是微分方程的解.
特征方程: 方程r2+pr+q=0叫做微分方程y??+py?+qy=0的特征方程. 特征方程的两个根r1、r2可用公式
求出.
特征方程的根与通解的关系:
(1)特征方程有两个不相等的实根r1、r2时, 函数、是方程的两个线性无关的解.
这是因为,
函数、是方程的解, 又不是常数.
因此方程的通解为
.
(2)特征方程有两个相等的实根r1=r2时, 函数、是二阶常系数齐次线性微分方程的两个线性无关的解.
这是因为, 是方程的解, 又
,
所以也是方程的解, 且不是常数.
因此方程的通解为
.
(3)特征方程有一对共轭复根r1, 2=a?ib时, 函数y=e(a+ib)x、y=e(a?ib)x是微分方程的两个线性无关的复数形式的解. 函数y=eaxcosbx、y=eaxsinbx是微分方程的两个线性无关的实数形式的解.
函数y1?e(a+ib)x和y2?e(a?ib)x都是方程的解? 而由欧拉公式? 得
y1?e(a+ib)x?e?x(cos?x?isin?x)?
y2?e(a?ib)x?e?x(cos?x?isin?x)?
y1?y2?2e?xcos?x? ?
y1?y2?2ie?xsin?x? ?
故eaxcosbx、y2=eaxsinbx也是方程解.
可以验证, y1=eaxcosbx、y2=eaxsinbx是方程的线性无关解.
因此方程的通解为
y=eax(C1cosbx+C2sinbx ).
求二阶常系数齐次线性微分方程y??+py?+qy=0的通解的步骤为:
第一步 写出微分方程的特征方程
r2+pr+q=0
第二步 求出特征方程的两个根r1、r2.
第三步 根据特征方程的两个根的不同情况, ???出微分方程的通解.
例1 求微分方程y??-2y?-3y=0的通解.
解 所给微分方程的特征方程为
r2-2r-3=0, 即(r?1)(r?3)?0?
其根r1=-1, r2=3是两个不相等的实根, 因此所求通解为
y=C1e-x+C2e3x.
例2 求方程y??+2y?+y=0满足初始条件y|x=0=4、y?| x=0=-2的特解.
解 所给方程的特征方程为
r2+2r+1=0, 即(r?1)2?0?
其根r1=r2=?1是两个相等的实根, 因此所给微分方程的通解为
y=(C1+C2x)e-x.
将条件y|x=0=4代入通解, 得C1=4, 从而
y=(4+C2x)e-x.
将上式对x求导, 得
y?=(C2-4-C2x)e-x.
再把条件y?|x=0=-2代入上式, 得C2=2. 于是所求特解为
x=(4+2x)e-x.
例 3 求微分方程y??-2y?+5y= 0的通解.
解 所给方程的特征方程为
r2-2r+5=0?
特征方程的根为r1=1?2i? r2=1?2i? 是一对共轭复根?
因此所求通解为
y=ex(C1cos2x+C2sin2x).
n 阶常系数齐次线性微分方程: 方程
y(n) +p1y(n-1)+p2 y(n-2) + ? ? ? + pn-1y?+pny=0,
称为n 阶常系数齐次线性微分方程, 其中 p1, p2 , ? ? ? , pn-1, pn都是常数.
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