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乐民之乐者,民亦乐其乐;忧民之忧者,民亦忧其忧。——《孟子》
二阶常微分方程边值问题求解的常数变
易法
数学物理方程与特殊函数复习资料
二阶常微分方程边值问题求解的常数变易法
20XX年-8-31
数理方程所解决的问题与高等数学(微积分)教科书中的常
微分方程有很大区别,其中最显著的特点是多数微分方程的条件
是边值问题,即知道未知函数在自变量变化区域的边界上的取值。
这就是所谓的边值问题。最简单的是二阶常微分方程的两点边值
问题。二阶常微分方程的解是一个一元函数,关于这个一元函数
的信息,知道的不多,除了微分方程本身提供的之外,还有未知
函数在一个区间的两个端点处的值。微积分所教给我们的技巧是
先求出常微分方程的通解,再根据两个条件确定通解中的两个任
意常数。
进入这门课之初,先回顾初值问题,再思考边值问题。在边
值问题中,数理方程课程内容中出现了一个历史上非常著名的函
数,即格林函数。
对力的分析中普遍使用一个方程:F=ma。这是著名的牛顿
第二定律,其中,F表示力,m表示物体的质量,而a表示物体
乐民之乐者,民亦乐其乐;忧民之忧者,民亦忧其忧。——《孟子》
运动的加速度。由于加速度的物理意义可解释为物体运动时位移
变量对时间的二阶导数,再结合使用虎克定律,就得出简单的振
动所满足的二阶常微分方程
y2y0
如果考虑外力作用,该方程化为更一般的情况
y2yf(x)
y(0),y(0)
两个初始条件可解释为已经知道初始位移和初始速度。求解
上面方程需要用常数变易法。先
回顾一阶常微分方程求解的方法,然后再讨论二阶常微分方
程的常数变易法。
一、一阶常微分方程初值问题的常数变易法
一阶常微分方程常数变易法,用于解源函数不为零的常微分
方程问题
y(x)ry(x)f(x),x0
y(0)
先求解简化的(源函数为零)的方程:y(x)ry(x)0
由分离变量:
dydy
rdxry,ydx
积分:lnyrxc,y(x)Cexp(rx)
应用常数变易法,假设简化前的方程的解具有与简化后方程
乐民之乐者,民亦乐其乐;忧民之忧者,民亦忧其忧。——《孟子》
的解有相同形式,将常数替换为
待定的函数,即
y(x)u(x)exp(rx)
求导数,得
y(x)u(x)exp(rx)ru(x)exp(rx)
u(x)exp(rx)ry(x)
数学物理方程与特殊函数复习资料
将其代入化简前的方程,得等式
u(x)exp(rx)f(x),u(x)exp(rx)f(x)
积分,得u(x)
x
exp(r)f()dC
代入表达式y(x)u(x)exp(rx),得
y(x)[exp(r)f()dC]exp(rx)
x
应用初始条件,得解函数
y(x)exp(r
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