Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/GreekAndCoptic.js

二阶常系数齐次线性微分方程

如果二阶齐次线性微分方程

d2ydx2+P(x)dydx+Q(x)y=0

的系数P(x)Q(x)均为常数,即

d2dx2y+pddxy+qy=0

则上式称为二阶常系数齐次线性微分方程.

我们知道,对于函数y=f(x)

d2ydx2=ddx(dydx)=ddx[ddx(y)]

则二阶常系数齐次线性微分方程可以写为

(ddx)2y+pddxy+qy=0 [(ddx)2+pddx+q]y=0

ddx=m,则

(ddx)2+pddx+q=0

可表示为一个一元二次方程

m2+pm+q=0

我们把上式称为二阶齐次线性微分方程

d2ydx2+P(x)dydx+Q(x)y=0

特征方程.

对于特征方程

m2+pm+q=0

p24q>0时,方程有两个不相等的实数根

m1=p+p24q2, m2=pp24q2

(mm1)(mm2)=0

则二阶常系数齐次线性微分方程写为

(ddxm1)(ddxm2)y=0(ddxm2)y=0

或写为

dydxm2y=0

分离变量,得

dyy=m2dx

两端积分,得

ln|y|=m2x+Ky=±em2x+K =±eKem2x

±eK是不等于0等任意常数,显然,y=0也是二阶齐次线性微分方程的一个解,因此

y=C1em2x

同理可得

y=C2em1x

也是原微分方程的另一个解,从而原微分方程的通解为

y=C1em2x+C2em1x

p24q=0时,方程有两个相等的实数根

m1=m2=p2

此时原微分方程只有一个解

y1=Cep2x

为了得到原微分方程的通解,还需要寻找另一个解y2,并且这两个解需要线性无关,即y2y1不是常数,设

y2y1=u(x)y2=u(x)y1

求导,得

y2=u(x)y1+u(x)y1y2=u(x)y1+2u(x)y1+u(x)y1

y2,y2,y2代入原微分方程

d2ydx2+pdydx+qy=0

u(x)y1+2u(x)y1+u(x)y1 +p[u(x)y1+u(x)y1]+qu(x)y1=0

重新整理,得

u(x)y1+2u(x)y1+u(x)y1 +pu(x)y1+pu(x)y1+qu(x)y1=0 [y1+py1+qy1]u(x)+u(x)y1 +[2y1+py1]u(x)=0

因为y1是原微分方程的解,所以

y1+py1+qy1=0,2y1+py1=0

u(x)y1=0

因为y10,所以u(x)=0.

因为只需要u(x)不是常数,不妨取最简单的u(x)=x即可,则

y2=u(x)y1=xep2x

从而微分方程的通解为

y=C1ep2x+C2xep2x

y=(C1+C2x)ep2x

Δ=p24q<0时,特征方程有一对共轭复根:

m1=p2+p24q2i, m2=p2p24q2i.

α=p2,β=p24q20.

m_1=α+βim_2=α-βi.则微分方程的两个解为

{y_1} = {C_1}{{\text{e}}^{(\alpha + \beta {\text{i}})x}},{y_2} = {C_2}{{\text{e}}^{(\alpha - \beta {\text{i}})x}}

根据欧拉公式

{{\text{e}}^{\theta {\text{i}}}} = \cos \theta + {\text{isin}}\theta

所以原微分方程的解为

y = {{\text{e}}^{\alpha x}}({C_1}{{\text{e}}^{{\text{i}}\beta x}} + {C_2}{{\text{e}}^{ - {\text{i}}\beta x}})

将解写为

{y_3} = {{\text{e}}^{\alpha x}}\left[ {\left( {{C_1} + {C_2}} \right)\cos \beta x + {\text{i}}\left( {{C_1} + {C_2}} \right)\sin \beta x} \right]

显然

{y_4} = {{\text{e}}^{\alpha x}}\left[ {\left( {{C_1} + {C_2}} \right)\cos \beta x - {\text{i}}\left( {{C_1} + {C_2}} \right)\sin \beta x} \right]

也是微分方程的解,由于微分方程的系数是实数,我们将复数解化为实数,上面两式相加除以2,得

\overline {{y_3}} = \frac{1}{2}\left( {{y_3} + {y_4}} \right) = {{\text{e}}^{\alpha x}}\cos \beta x \overline {{y_4}} = \frac{1}{2}\left( {{y_3} - {y_4}} \right) = {{\text{e}}^{\alpha x}}\sin \beta x

\frac{{\overline {{y_3}} }}{{\overline {{y_4}} }} = \frac{{{{\text{e}}^{\alpha x}}\cos \beta x}}{{{{\text{e}}^{\alpha x}}\sin \beta x}} = \cot \beta x

不是常数,所以原微分方程的解为

y = {{\text{e}}^{\alpha x}}({C_1}\cos \beta x + {C_2}\sin \beta x)