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二阶常微分方程边值问题求解的常数变易法.pdfVIP

二阶常微分方程边值问题求解的常数变易法.pdf

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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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