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令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的特征方程.
对于特征方程
m2+pm+q=0当p2−4q>0时,方程有两个不相等的实数根
m1=−p+√p2−4q2, m2=−p−√p2−4q2即
(m−m1)(m−m2)=0则二阶常系数齐次线性微分方程写为
(ddx−m1)(ddx−m2)y=0(ddx−m2)y=0或写为
dydx−m2y=0分离变量,得
dyy=m2dx两端积分,得
ln|y|=m2x+K⇒y=±em2x+K =±eK⋅em2x±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当p2−4q=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=Ce−p2x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)y′1y2″=u″(x)y1+2u′(x)y′1+u(x)y′′1将y2,y2′,y2″代入原微分方程
d2ydx2+pdydx+qy=0得
u″(x)y1+2u′(x)y′1+u(x)y′1′ +p[u′(x)y1+u(x)y′1]+qu(x)y1=0重新整理,得
u″(x)y1+2u′(x)y′1+u(x)y′1′ +pu′(x)y1+pu(x)y′1+qu(x)y1=0 [y′1′+py′1+qy1]u(x)+u″(x)y1 +[2y′1+py1]u′(x)=0因为y1是原微分方程的解,所以
y1″+py1′+qy1=0,2y1′+py1=0则
u″(x)y1=0因为y1≠0,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=xe−p2x从而微分方程的通解为
y=C1e−p2x+C2xe−p2x即
y=(C1+C2x)e−p2x当Δ=p2−4q<0时,特征方程有一对共轭复根:
m1=−p2+√p2−4q2i, m2=−p2−√p2−4q2i.设
α=−p2,β=√p2−4q2≠0.则m_1=α+βi,m_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且
\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)