常系数非齐次线性微分方程

常系数线性微分方程复习一、常系数线性微分方程的形式和名词解释1. n 阶常系数线性微分方程的标准形式为：)(1)1(1)(t f y a y a y a y n n n n =+′+++−−L其中 a 1，a 2，L ，a n 是常数，f (t )为连续函数2. n 阶微分方程的含有n 个独立的任意常数的解，叫做一般解（通解）。

3. 微分方程不含任意常数的解，叫做特解。

4. 把微分方程与初始条件合在一起叫做微分方程的初值问题。

初值问题的解是即满足微分方程又满足初始条件的特解。

二、常系数线性齐次微分方程的解法01)1(1)(=+′+++−−y a y a y a y n n n n L其中a 1，a 2，L ，a n 是常数，等号右端自由项为零1. 求齐次线性微分方程的特征方程（只要将齐次线性微分方程式中的 y (k )换写成 λk ，k = 0，1，L ，n ，即得其特征方程）。

0111=++++−−n n n n a a a λλλL2. 求特征方程的根（称为微分方程的特征根）。

3. 求得了方程的 n 个特征根，就可得到微分方程的n 个线性无关的一般解（根的形式不同，解的形式也不同）。

(1) 特征方程有n 个互异的实根 λ1， λ2 ，L ，λn 。

方程的通解为 t n t tc c c y n 21e e e21λλλ+++=L例 求齐次微分方程032=−′−′′y y y 的通解特征方程0322=−−λλ 求出特征方程的根3121=−=λλ方程的通解 t tc c y −+=e e231(2) 特征方程有n 个实根，但存在重根（设λ0是方程的k 重根）。

方程的通解为t n t k t k k c c t c t c c y k n 10e e )e (1121λλλ++++++=++−L L例 求齐次微分方程043=−′′+′′′y y y 的通解特征方程04323=−+λλ 求出特征方程的根21321−===λλλ方程的通解为 t tt t c c c y 23221e ee −−++=(3) n 个特征根中存在复数根的情况（举例说明）a. 存在1对不重复的复数根 a ± j β ，n -2个互异的实根。

求常系数非齐次线性微分方程的特解的一般方法和特殊技巧1、求常系数非齐次线性微分方程的特解的一般方法下面两个公式是求特解的重要公式： A 、 p 为单根时()t f p D -1对应的特解为()dt t f eeX ptpt⎰-=,即 ()()t f eDet f pD ptpt-=-11； （21）B 、p 为s 重根时()t f p D s)(1-对应的特解为()()sptsptsdt t f e eX-⎰⎰⎰=,即()()t f eDet f p D ptspts-=-1)(1。

（22）注：公式（21）也可以作为公式（22）在1=s 时的特例。

由通解公式知，求常系数非齐次线性微分方程的通解问题，就是求其对应齐次方程通解(这主要是求代数方程根的问题)和求原方程的一个特解。

我们下面只讨论如何用（21）和（22）求非齐次方程的特解。

例1：求下列非齐次微分方程的特解： 1)()tt ee x D D226-+=--； 2）()t x Dsin 12=+；3) ()221t x D D+=+； 4) ()teex D D=+-232。

解：设特解为X 1) 解1：()()()tttttteeD e eD eeD D 22222151315161---++-+-=+--()()dteeee dte eeetttttttt⎰⎰----+-+=2222335151tttttttete e te e ee 2222251516151151251101-------=----=取tttee X 25161---= 。

（注意，te 2251--将被合并在方程的通解之中）解2：()()()()()dteeeeD eeD DeeD D tttttttt⎰----++=+-+=+--23322221312161()tt t ttttttttee dt ee eedteeeeD 22222335161512121-------=⎪⎭⎫⎝⎛+-=++=⎰⎰tttee X 25161---= 。

常系数非齐次微分方程的特解怎么设常系数非齐次微分方程的特解怎么设一、引言在微积分学中，微分方程是研究变量之间关系的重要工具。

其中，常系数非齐次微分方程是一类特殊且常见的微分方程，其解法具有一定的规律性。

本文将对常系数非齐次微分方程的特解设定进行探讨，并分析其中的原理和应用。

二、常系数非齐次微分方程的定义和特点常系数非齐次微分方程是指微分方程中的系数都是常数，且方程右端有非零的常数项。

其一般形式可以表示为：```a_n*y^(n) + a_(n-1)*y^(n-1) + ... + a_1*y' + a_0*y = f(x)```其中，n为微分方程的阶数，`a_n, a_(n-1), ..., a_1, a_0`为常数，`y^(n)`表示y的n次导数，f(x)为非零的常数项。

常系数非齐次微分方程的求解主要有两个步骤：先求解对应的齐次线性微分方程，再求解非齐次线性微分方程。

其中，对于齐次线性微分方程，我们可以利用特征方程的方法求解得到其通解。

而对于非齐次线性微分方程，则需要设定特解，并将特解与齐次方程的通解相加。

三、设定特解的方法设定特解的方法主要有待定系数法和常数变易法两种。

1. 待定系数法待定系数法是常用的一种设定特解的方法，其基本思想是通过设定未知函数的形式，将特解代入微分方程，进而确定未知函数的系数。

常见的设定特解的函数形式有多项式、幂函数、指数函数、三角函数等。

以常见的一阶非齐次线性微分方程为例，形式如下：```a_1*y' + a_0*y = f(x)```我们可以设定特解的函数形式为`y_p = C`，其中C为待定常数。

将特解代入方程，得到：```a_1*0 + a_0*C = f(x)```从上式可以解得待定常数C的值，进而求得此时的特解。

对于高阶非齐次线性微分方程，设定特解的方法类似。

不同的是，在设定特解的函数形式时，需要根据方程右端的f(x)的形式选择相应的函数。

第九节 常系数非齐次线性微分方程㈠本课的基本要求会求自由项为多项式，指数函数，正弦函数，余弦函数以及它们的和与积的二阶常系数齐次线性微分方程的特解和通解㈡本课的重点、难点由自由项的特点去找特解的思想是本节的重点，难点是自由项为混合型时特解的求法 ㈢教学内容一．二阶常系数线性非齐次方程的解法)(x f qy y p y =+'+'' ⑶由定理3知线性非齐次方程的通解是对应的线性齐次方程的通解与其自身的一个特解之和。

而求二阶常系数线性齐次方程的通解前已解决，现在的关键在于求线性非齐次方程的一个特解，而特解显然与自由项)(x f 有关。

以下介绍当自由项)(x f 属于某些特殊类型函数时的情况。

1．自由项)(x f 为多项式)(x P e m x λ，其中λ是常数，)(x P m 是x 的一个m 次多项式： m m m m m a x a x a x a x P ++++=--1110)(可令⑶的特解x e x Q y λ)(*=，为此将*y 及x e x Q x Q y λλ)]()([*+'='，x e x Q x Q x Q y λλλ)]()(2)([*2+'+''=''代入方程⑶并消去x e λ，得)()()()()2()(2x P x Q q p x Q p x Q m =+++'++''λλλ ⑻由分析得x m k e x Q x y λ)(*=，其中)(x Q m 是与)(x P m 同次（m 次）的多项式，而k 按λ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依次取0，1或2。

上述结论可推广到n 阶常系数非齐次线性微分方程，但要注意特解中的k 是特征方程含根λ的重复次数（即若λ不是特征方程的根，k 取0；若λ是特征方程的s 重根，k 取s ）。

例1．求方程13452+=+'+''x y y y 的一个特解 327181543*2+-=x x y 例2．求)474322221x x ec c x y y x +-++-='+''-的通解（ 例3．求x xe y y y -=+'+''323的通解2．自由项]sin )(cos )([)(wx x P wx x P e x f n l x +λ为型利用欧拉公式，有 ]22[]sin )(cos )([)(i e e P e e P e wx x P wx x P e x f iwxiwx n iwx iwx l xn l x ---++=+=λλ x iw x iw x iw n l x iw n l e x P e x P e i P P e i P P )()()()()()(2222-+-++=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=λλλλ其中i P P i P P x P i P P i P P x P n l n l n l n l 2222)(,2222)(+=-=-=+= 是互成共轭的m 次多项式（即它们对应项的系数是共轭复数），而},max{n l m =。

n 阶常系数非齐次线性微分方程特解的几种求解方法1引言对形如()()()()()t f x t a dtdxt a dt x d t a dt x d t a n n n n n n =++⋅⋅⋅++−−−01111（1）的n 阶非齐次线性方程，称()()()()001111=++⋅⋅⋅++−−−x t a dtdxt a dt x d t a dt x d t a n n n n n n （2）为其相关的齐次线性方程。

任给一个满足(1)且不带任何参数的函数x ~称为方程(1)的特解，已有下述求解定理：定理1若x ~为n 阶非齐次线性方程()()()()()t f x t a dtdxt a dt x d t a dt x d t a n n n n n n =++⋅⋅⋅++−−−01111（1）在区间I 上的任一个特解，设()()()t x t x t x n ,,,21⋅⋅⋅是其相关齐次线性方程()()()()001111=++⋅⋅⋅++−−−x t a dtdxt a dt x d t a dt x d t a n n n n n n （2）的一个基本解组，则在区间I 上方程（1）的通解为：()()()x t x c t x c t x c x n n ~2211++⋅⋅⋅++=，其中()n i c i,,2,1⋅⋅⋅=为任意常数。

由定理1知，非齐次线性方程的通解由两个函数的和组成：()()()x x x t x c t x c t x c x cn n ~~2211+=++⋅⋅⋅++=，其中线性组合()()()t x c t x c t x c x n n +⋅⋅⋅++=2211称为方程（1）余函数。

定理2k x x x ~,,~,~21⋅⋅⋅为n 阶非齐次线性方程（1）在区间I 上对应于k 个不同函数()()()t f t f t f k ,,,21⋅⋅⋅的k 个特解，也就是设i x ~表示对应于方程()()()()()t f x t a dtdxt a dt x d t a dt x d t a i n n n n n n =++⋅⋅⋅++−−−01111的特解，则kx x x x ~~~~21+⋅⋅⋅++=为()()()()()()()t f t f t f x t a dtdxt a dt x d t a dt x d t a k n n n n n n +⋅⋅⋅++=++⋅⋅⋅++−−−2101111的特解。