二阶线性微分方程
一.二阶线性微分方程的概念
二阶线性微分方程的一般形式是
, (1)
其中、及是自变量的已知函数,函数称为方程(1)的自由项.
二.二阶线性微分方程解的定理1
(1)
如果函数与是方程(1)的两个解,则
也是方程(1)的解,其中,是任意常数.
三.二阶线性微分方程解的定理2
(2)
若与是方程(1)的两个线性无关的特解,则
就是方程(2)的通解,其中,是任意常数.
四.二阶线性微分方程解的定理3
(3)
(4)
设是方程(3)的一个特解,而是其对应的齐次方程(4)的通解,则
就是二阶非齐次线性微分方程(3)的通解.
五.二阶线性微分方程解的定理4
设与分别是方程
与
的特解,则是方程
的特解.
六.二阶线性微分方程解的定理5
设是方程
的解,其中,,,为实值函数,为纯虚数. 则与分别是方程
与
的解.
七.解线性微分方程的降阶法
, (1)
设是方程(1)的一个已知非零特解,作变量替换
, (2)
其中为待定函数,求的一阶和二阶导数,得
,,
将它们代入(1)式,得
,(3)
再作变量替换,得
,
分离变量得
,
两边积分得
(为任意常数).
对积分,得
(为任意常数).
代回原变量,就得到方程(1)的通解
.
这个公式称为二阶线性微分方程的刘维尔公式.
八.常数变易法
设有二阶非齐次线性方程
(1)
如果其对应的齐次方程的通解为
,
则可通过如下的常数变易法求得非齐次方程的通解:
设非齐次方程(1)的特解为
(2)
其中,是两个待定函数,对求导数,得
,
把(2)代入(1)中,可得到确定,的一个方程. 因为这里有两个未知函数,所以还需添加一个条件. 为计算方便,我们补充如下条件:. 这样,
,,
代入方程(1)中,经整理得
.
与补充条件联立,得方程组
. (3)
因为,线性无关,故其系数行列式
,
所以上述方程组有唯一解,解得
,.
积分并取其一个原函数,得
,,
于是,所求特解为
.
所求方程(1)的通解
.
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