10-5二阶常系数线性微分方程

n 阶微分方程的一般形式为：F(x,y, y',y",L ,y(n)) 0，一般情况下，求n阶微分方程的解是困难的.作为基础知识，本节仅讨论二阶常系数线性微分方程的求解方法.一、二阶线性微分方程解的结构如果二阶微分方程y'' F(x,y,y')的未知函数及其导数都是一次项的，称为二阶线性微分方程. 二阶线性微分方程的一般形式为y'' p(x)y' q(x)y f (x). ()如果f (x) 0 ，则方程()成为y'' p(x)y' q(x)y 0. ()方程()称为二阶齐次线性微分方程，相应地，方程()称为二阶非齐次线性微分方程.定理齐次线性微分方程解的叠加性定理•设y1和y2是二阶齐次线性微分方程()的两个解，则y c1y1 c2 y2也是微分方程()的解，其中c1,c2为任意常数•证：将y qy i C2『2代入方程()的左端，可得(c1y1 c2y2)'' p(x)(c1y1 c2y2)' q(x)(c1y1 c2y2)(C1y1'' C2y2'') p(x)(C1y1' C2y2') q(x)(C1y1 C2y2)=C1(y1'' p(x)y1' q(x)y1) C2(y2'' p(x)y2' q(x)y2)=0，所以，y c1y1c2 y2也是微分方程()的解• 口定理表明，二阶齐次线性微分方程的解可叠加• 如果我们已知二阶齐次线性微分方程的两个解y i和y，很容易得到含有任意常数C i, C2的解，y c i y i 5^2.如果解y i和y有一定关系，那么，解y C i y i C2『2中的任意常数C i,C2可以合并成一个任意常数•因此，依据本章第一节的论述，它并不是二阶齐次线性微分方程的通解• 那么，二阶齐次线性微分方程的两个解y i和y2要满足哪些条件才能使解y C i y i C2y2成为二阶齐次线性微分方程的通解呢？为此，引入线性相关和线性无关的概念定义设函数y i和y2是定义在某个区间I上的两个函数，如果存在两个不全为零的常数C1 ,C2，使cy C2 y2 0在区间上恒成立，则称函数y1和y2在区间上是线性相关的，否则是线性无关的.确定两个函数y1和y2在区间上是否线性相关的简易方法为：看这两个函数之比0是y2否为常数.如果业等于常数，则y i与y线性相关；如果上等于函数，则y i与y线性无y2 y2关.例如,匹3,则y i与y2线性相关.出 x,则y i与y线性无关•y2 y2定理二阶齐次线性微分方程的通解结构定理•如果y i和y2是二阶齐次线性微分方程（）的两个线性无关的特解，则y c i y i C2 y2是微分方程（）的通解，其中c i,c2为任意常数•例如，y i e x, y2 2e x, y a e x y°2e x都是二阶齐次线性微分方程y i 0的解,C i,C2是任意常数，则下列哪些选项表示微分方程y i 0的通解：A.c i y i C2y2B. c i y i C2y4C.C i y i C2D.C i y a C2y4E.c i y i y aF.y i c i y4G.C i(y i y2)C2W3y4)由二阶齐次线性微分方程的通解结构定理，可知：选项B,G为该方程的通解• 本定理可推广到更高阶齐次线性微分方程•定理非齐次线性微分方程的通解结构定理•如果y*是二阶非齐次线性微分方程（）的一个特解，Y是该方程对应的二阶齐次线性微分方程（）的通解，即余函数，则y Y y*是二阶非齐次线性微分方程（）的通解•证：将y Y y*代入方程（）的左端，可得(Y y*)'' P(X)(Y y*)' q(x)(Y y*)(Y'' y*' ') p(x)(Y' y*' ) q(x)(Y y*)=(Y'' p(x)Y' q(x)Y) (y*' ' p(x)y*' q(x)y*) = f (x) ，所以，y Y y*是微分方程()的解，又 Y 是二阶齐次线性微分方程()的通解，它含有两个任意常数，即解中 y Y y* 含有两个任意常数，因此 y Y y* 是二阶非齐次线 性微分方程()的通解 . □上述定理和定义是求非齐次线性微分方程通解的理论基础 . 根据上述定理和定义，求二阶非齐次线性微分方程通解的步骤为： (1)求对应的二阶齐次线性微分方程()的两个线性无关的特解 y 1和y 2，构成对应的二阶齐次线性微分方程的余函数 Y c 1y 1 c 2y 2；(2)求二阶非齐次线性微分方程()的一个特解 y* ；则，二阶非齐次线性微分方程() 的通解为 y Y y*.上述步骤也适用于求更高阶非齐次线性微分方程的通解 .二、 二阶常系数齐次线性微分方程 二阶常系数齐次线性微分方程的一般形式为y'' py' qy 0.()其中p ，q 为常数•根据定理，要求二阶常系数齐次线性微分方程()的通解，只要求出 该方程的任意的两个线性无关的特解y 1和y 2即可•注意到方程()的系数是常数，可以设想如果能找到一个函数 y ，其导数 y'' ， y' 和 y则有q)e x 0 ，即 q0为二阶常系数齐次线性微分方程()的 特征多项式 ，特征方程的根之间只相差一个常数，该函数就可能是方程()的特解 . 而基本初等函数中的指数函数恰好具有这个性质. 因此， 设方程()的解为 y，其中 为待定常数， 将 yx、ye x 和 y" 2ex x代入微分方程 ()，我们称方程 ()为二阶常系数齐次线性微分方程)的特征方程 ，而称 F( )2p q称为二阶常系数齐次线性微分方程（）的 特征根•因为微分方程（）的特征方程（）为二次代数方程，其特征根有三种可能的情况，下面分别 讨论并给出微分方程（）的通解 .2（1） 当p 4q 0时，特征方程有两个相异的实根i 和2，因此，微分方程有两个特解y i e ix,y 2 e 2X由于 上 e（ 1 2）x，所以y i , y 线性无关•故二阶常系数齐次线性微y 2分方程（）的通解为y c 1e ix c 2e 2X（ G ,C 2为任意常数）（）（2）当p 2 4q 0时，特征方程有重根12，因此，微分方程只有一个特解XXy 1 e .设 y h （x ）y 1 h （x ）e 是微分方程（）另一个特解，求导得：y\ h'（x ）e X h （x ）e X ， y= h"（x ）e x 2 h'（x ）e x 2h （x ）e x . 将2Py 2, y'2, y"2代入微分方程（），注意到方程 p q 0和，化简后得：2h"（x ） 0.满足这个条件的函数无穷多，取最简单的一个 h （x ） x ，则微分方程（）另一个特解为y 2 xe x ，且y 1, y 线性无关•故二阶常系数齐次线性微分方程（）的通解为找两个线性无关的实数解ix.由欧拉公式e cosx i sin x 可得XXy 1 e (cos x i sin x), y 2e (cos x isin x),根据齐次线性微分方程的解的叠加性定理，有1 x1X2(% y 2)e X cosx2(y 1y ?) e x sin x.1,2P . P 2 4q"2(3)其中因为 yy 2xy (C 1 C 2x)e（C 1, C 2为任意常数）()2p 4q 0时，特征方程有一对共轭复根1丄也—.因此，微分方程有两个特解2y 1e ()x,y 2e ( i )xe 2i x ，所以y 「y 2线性无关.为了便于在实数范围内讨论问题，我们用欧拉公式xxe cos x e cos x 和e sin x 均为微分方程（）的解•而 xcot x .故二阶常系数齐e sin x次线性微分方程（）的通解为Xy （C i cos x C 2 sin x ）e（ 为任意常数）• （）综上所述，求二阶常系数齐次线性微分方程（）的通解，只须先求出其特征方程（）的 根，再根据特征根的不同情况，分别选用公式（）、（）或（），即可写出其通解.上述求二阶常系数齐次线性微分方程（）的通解的方法称为特征根法，其步骤为：(1) 写出的特征方程； (2)求出特征根；(3) 根据特征根的三种不同情况，分别用公式（） 、（）或（）写出微分方程（）的通解特征根法亦适用于求更高阶常系数齐次线性微分方程的通解解: 特征方程为234 0,特征根i 4，21,所求通解为解： 特征方程为2 ,1 0,B f 特征根1 . 1,2,所求通解为22例4求方程y" 4y' 4y 0的满足定解条件y （0） 1，y'（0） 4的特解.例1求方程y" 3y' 4y 0的通解•y C i ec ?e（C i ,C 2为任意常数）例2 求方程 y" 2y' y 0的通解•解： 特征方程为221 0,特征根121,所求通解为y (C 1 c 2x)e x（c 1, c 2为任意常数）例3 求方程 y"y' y 0的通解•(C i cos 空x2c ? sinx)e 2（C 1, c 2为任意常数）4xx4 0,特征根 1 2 2, 所求通解为y (c 1 c 2 x)e 2x对上式求导，得由定解条件 y(0) 1， y'(0) 4代入： c 1 1， c 2 2, 因此，所求特解为2xy (1 2x)e 2x .三、二阶常系数非齐次线性微分方程二阶常系数非齐次线性微分方程的一般形式为y'' py' qy f (x). ( p , q 为常数)由定理可知，如果 y* 是二阶非齐次线性微分方程的一个特解，则二阶非齐次线性微分 方程的通解为yY y*其中Y 为余函数，即该方程对应的二阶齐次线性微分方程的通解，可用二中的方法求得•当f (x)为某些特殊类型函数时，可用待定系数法确定二阶非齐 次线性微分方程一个特解y*，代入公式()即可得到二阶非齐次线性微分方程的通解•现就 f (x) 为某些特殊类型函数时，讨论用待定系数法确定二阶非齐次线性微分方程一个特解 y* 的方法 . 1、当f (x) m (x)e x ，其中为常数，m (x)为m 次多项式：m(x) b 0x m b 1x m 1 b m 1x b m ， m 0 .因为多项式与指数函数的积的导数的形式不变，因此设微分方程()的一个特解为y* z(x)e x ， z(x)x k m (x)其中 m (x) 为 m 次待定多项式 .2 例如,(x) 3,则设 0(x) B 0; 1(x) x, 1(x) B 0x B 1; 2(x) x 21,则设2(x) B o x 2 B i X B 2.以 y*" [z"(x) 2 z'(x)2z(x)]e x ，代入微分方程()，整解： 特征方程为y' 2xc 2e2x2(c 1 c 2 x)e ,理后可得 待定系数平衡公式( 2 p q)z(x) (2 p)z'(x) z''(x) m (x)或F( )z(x) F '( )z'(x) z''(x) m (x). ()m 1 个联立方程：( 2 p ( 2pq)B 0q)B 1b 0,2( p)mB 0 b 1,确定 B i (i 0,1,2,,m) ，就可以确定待定多项式z(x) ，得到微分方程()的一个特解y* xz(x)e .(2)当 F( )2pq 0 ，即 是特征方程的单根时， F'( )0.要使平衡公式() 的两端恒等，z'(x)与m( x )为同次多项式，设z(x) x m (x)x(B 0x m B 1x m1 B m1x B m ).用与( 1)同样的方法，就可以确定 z(x) ，得到微分方程()的一个特解y* z(x)e x .(3) 当 F( )2pq 0 ， F'( ) 2 p 0 ，即 是特征方程的重根时，要使平衡公式()的两端恒等，z''(x)与m (x)为同次多项式，设z(x) x 2 m (x)x 2(B 0x m B 1x m 1 B m1x B m ).用与( 1)同样的方法，就可以确定 z(x) ，得到微分方程()的一个特解 y* z(x)e由此，通过比较两端 x 的同次幂的系数确定待定多项式 kz(x) x k m (x) 中的待定系数 . 因为特征方程的根不同，z(x) 的次数也不同，分别讨论之 1) 当 F( ) 2p q 0 ，即 不是特征方程的根时，要使平衡公式()的两端恒等， z(x) 与m(x) 应为同次多项式，即z(x)x 0 m (x) B 0 x mB 1x m 1B m 1x B m代入平衡公式()，比较等式两端x 的同次幂的系数，可得含有待定系数B 0,B 1, ,B m 的上述讨论可归纳如下：当f(x)m(x)e x ，其中常数 ，m 次多项式m(x)已知，微分方程的特解形式为y* z(x)e x x k m (x)e x ，即 z(x) x k m (x)，其中：m(x)与m (x)为同次多项式；k 0,1,2，分别根据不是特征方程的根、是特征方程的单根或是特征方程的重根而确定2、当f(x) e x (acos x bsin x)，其中a,b,,为常数时，可得复数 分方程的特解形式为y* x k (A 1 cos x A 2 sin x)e x ，对共轭复根而确定•以y*, y*' ,y*"代入原方程，比较同类项的系数，解得 A 1, A 2.分析：所给方程为二阶常系数非齐次线性微分方程，通解可写为y Y y*其中Y 为余函数， 2,，1(x) 7x 2可用待定系数平衡公式确定7B °x (5B Q 7B I ) 7x 2.比较系数，7B Q 7, 5B Q 7B I2,得 B Q 1,B I1,即y (x 1)e 2x .其特征根为1 3i ，余函数为1,22Y (C 1 3 cos- x 23 -xc 2 sin x)e 2 c 1, c 2为任意常数特征多项式为F( )21，且 F ( ) 2 1,解：特征方程为21 0,2不是特征方程的根i .设微其中：A ?为待定常数；k 0,1,分别根据i 不是特征方程的根或是特征方程的一例5 求方程y" y' y(7x 2)e 2x 的通解.设 y* z(x)e 2x , z(x)B o x B.根据待定系数平衡公式F(2)z(x) F (2)z(x)z (x) 7(B o X B) 5B Q2x ,比较等式两端x 同次幕的系数，可得B 。

微积分练习册[第八章］多元函数微分学习题8—1 多元函数的基本概念1。

填空题:(1）若yx xy y x y x f tan ),(22-+=,则___________),(=ty tx f (2）若xy y x y x f 2),(22+=，则(2,3)________,(1,)________y f f x-== （3）若)0()(22 y yy x x y f +=，则__________)(=x f （4）若22),(y x x yy x f -=+，则____________),(=y x f（5）函数)1ln(4222y x y x z ---=的定义域是_______________（6）函数y x z -=的定义域是_______________（7）函数xy z arcsin =的定义域是________________ (8）函数xy x y z 2222-+=的间断点是_______________ 2。

求下列极限：(1）xy xy y x 42lim0+-→→班级： 姓名： 学号：(2) x xy y x sin lim0→→（3) 22222200)()cos(1lim y x y x y x y x ++-→→微积分练习册[第八章］ 多元函数微分学3.证明0lim 22)0,0(),(=+→y x xy y x4。

证明：极限0lim 242)0,0(),(=+→y x y x y x 不存在班级： 姓名: 学号：5。

函数⎪⎩⎪⎨⎧=≠+=(0,0)),( ,0)0,0(),(,1sin ),(22y x y x y x x y x f 在点（0，0)处是否连续？为什么？微积分练习册[第八章] 多元函数微分学习题 8—2偏导数及其在经济分析中的应用1.填空题（1）设y x z tan ln =，则__________________,=∂∂=∂∂yz x z ; （2）设)(y x e z xy+=，则__________________,=∂∂=∂∂y z x z ； （3)设zy x u =,则________,__________________,=∂∂=∂∂=∂∂z u y u x u ；（4）设x y axc z tan =，则_________________,_________,22222=∂∂∂=∂∂=∂∂y x z yz x z (5）设z yx u )(=，则________2=∂∂∂y x u ; （6）设),(y x f 在点),(b a 处的偏导数存在，则_________),(),(lim 0=--+→xb x a f b x a f x 2。

微分方程的二阶常系数线性方程与特解求解微分方程是数学中重要的一门分支，广泛应用于物理、工程、经济等领域。

其中，二阶常系数线性微分方程是一类常见且重要的微分方程类型。

在本文中，我们将探讨如何求解二阶常系数线性微分方程以及特解的求解方法。

首先，我们来了解一下什么是二阶常系数线性微分方程。

二阶常系数线性微分方程的一般形式为：$$\frac{d^2y}{dx^2} + a\frac{dy}{dx} + by = f(x)$$其中，$a$和$b$是常数，$f(x)$是关于自变量$x$的函数。

这个方程中的未知函数是$y(x)$，我们的目标是求解$y(x)$的表达式。

要求解二阶常系数线性微分方程，我们可以先求解其对应的齐次方程，再找到特解，最后将齐次方程的通解与特解相加得到原方程的通解。

齐次方程是指当等号右边的$f(x)$为零时的方程，即：$$\frac{d^2y}{dx^2} + a\frac{dy}{dx} + by = 0$$齐次方程的解可以通过特征方程来求解。

特征方程是将齐次方程中的导数项全部移到左边，并将未知函数$y(x)$表示为指数函数$e^{rx}$的形式得到的方程。

假设$y(x) = e^{rx}$，代入齐次方程中得到：$$r^2e^{rx} + are^{rx} + be^{rx} = 0将$e^{rx}$提取出来得到：$$e^{rx}(r^2 + ar + b) = 0$$由指数函数的性质可知，$e^{rx}$不可能为零，所以我们得到一个关于$r$的二次方程：$$r^2 + ar + b = 0$$解这个二次方程可以得到两个不同的解$r_1$和$r_2$。

这两个解可以是实数或复数。

根据这两个解，我们可以得到齐次方程的通解：$$y_h(x) = C_1e^{r_1x} + C_2e^{r_2x}$$其中，$C_1$和$C_2$是常数。

接下来，我们需要找到二阶常系数线性微分方程的特解。

特解是指使得原方程成立的一个特定解。