二阶常微分方程的降阶解法教程文件

二阶常微分方程的降阶技巧及其推广【摘要】本文研究了几类可降阶的二阶微分方程，并将其求解理论推广为高阶微分方程.为更深入的探讨了典型的可降阶的高阶常微分方程打下基础，分析方程特点，对于不同类型的高阶方程进行科学合理的降阶，并对以讨论的方法进行归纳总结。

【关键词】高阶方程；线性微分方程；降阶在应用常微分方程解决问题时，常常遇到应用高阶常微分方程的形式，而二阶常微分方程又是典型的高阶常微分方程，许多高阶微分方程的解法和性质都是二阶微分方程的推广，二阶常微分方程的研究与解法就显得尤为重要了，下面介绍几种典型的二阶微分方程。

1.y”=f（x，y’）型的微分方程方程特点：方程的右端不含y的常微分方程方程解法：设y’=p，则y”=p’，代入原方程得=f（x，p）这是一个一阶微分方程，根据方程的特性进行分析，得出方程的解法，并因此求出以p为未知函数的微分方程的所有解，再次积分即可求出原方程的解.例1：求方程（1+x）y”=2xy’y=1，y’=3 的解.分析：方程（1+x2）y”=2xy’经变形整理得y”=，观察方程的右边发现方程的右端不含y，所以符合y”=f（x，y’）方程的特点解：令y’=p，则y”=，则方程变为，（1+x）=2xp，即：= dx所以y’=p=C1（1+x2）因为y’│=3所以y’=pC1=3 则y=x3+3x+C2因为y│=1，所以C2=1，所以所求特解为y=x3+3x+1.2.y”=f（y，y’）型的微分方程方程特点方程的右端不含x.方程解法：令y’==p则y”=，由复合函数求导法则得y”==·=p，代入原方程得p=f（y，p）这个方程是关于y，p的一阶方程，假如可以求得这个方程的通解是y’=p=φ（y，C1），分析方程的特点，此方程是一个变量可分离方程，将方程分离变量后积分得∫dy=x+C（C1，C2 为任意常数），即为原方程得通解.注：在此方程在求解的过程中采用了引进新的变量的方法进行降阶，方法简单实用.例2：解方程y”=y’+（y’）3.分析：方程中不含x，符合y”=f（y’，y’）型微分方程，按照方程的求解方法进行求解.解：令y’=p，则y”=p，即p=p（1+p2）若p≠0，则=1+p2，arctan p=y+C1，即p=tan（y+C1）?=dx，积分得lnsin（y+C）=x+C，即sin（y+C1）=Cex，或y=arcsin（Cex）-C1，（C1，C2 为任意常数）.若p=0，则y=C包含在通解中.此类方程也可以将其进行推广为不显含自变量x的方程的一般形式为f（y，y’，…，y（n））=03.形如F（x，y，y’，y”）=0 的二阶恰当导数方程方程特点：方程的左侧恰好为某个函数Φ（x，y，y’）对x的导数，也就是F（x，y，y’，y”）=Φ（x，y，y’）=0方程解法：应用已有的微分公式，可以使原方程降低一阶Φ（x，y，y’）= C，再对降阶后的微分方程进行分析，即可探求适合较低阶的微分方程的求解方法.要准确的判断出某二阶微分方程F（x，y，y’，y”）=0为恰当导数方程，需要掌握一些常用的微分公式，现介绍如下：微分法常用公式ydx+xdy=d（xy），=d（），=d（），=dln（x+y）.=dln，=darctan（）.例3：求方程yy”+y’2=0的通解.分析：对方程的左边采用观察法进行分析，发现左端恰好是符合微分式d （yy’）=yy”+y’ ，所以此二阶微分方程是恰当微分方程，才有此方法可以将二阶微分方程化为一阶微分方程，分析方程的特点，即可求出方程的解.解：将方程写成（yy’）=0 ，故有yy’=C1，即ydy=C1dx，积分后得通解y2=C1x+C2其中C1，C2 为任意常数）.注意：这是一个高技巧的例题，解决问题的关键在于科学的降阶方法.同时此类型的方程也可以推广到一般的形式即为F（x，y，y’，y”，…y（n））=0，此方程的左侧恰好为某个函数Φ（x，y，y’，…y（n-1））对x的导数，也就是Φ（x，y，y’，…y（n-1））=0 的形式，其解法不做介绍。

降阶法二阶微分方程组
降阶法是用于求解二阶微分方程组的一种常用方法。

假设给定的二阶微分方程组如下：
\begin{cases}
\frac{{d^2x}}{{dt^2}}=f(t,x,y)\\
\frac{{d^2y}}{{dt^2}}=g(t,x,y)
\end{cases}
我们可以引入两个新的函数，令$v=\frac{{dx}}{{dt}}$和
$w=\frac{{dy}}{{dt}}$，然后对$v$和$w$分别进行一次积分得到：
\begin{cases}
\frac{{dx}}{{dt}}=v\\
\frac{{dv}}{{dt}}=f(t,x,y)
\end{cases}
\begin{cases}
\frac{{dy}}{{dt}}=w\\
\frac{{dw}}{{dt}}=g(t,x,y)
\end{cases}
这样我们就得到了一组一阶微分方程组。

我们可以利用常见的数值解法，如欧拉法或四阶龙格库塔法等方法求解这组一阶微分方程组，得到$v$和$w$的数值解。

最后，我们再对$v$和$w$进行一次积分，得到$x$和$y$的数
值解：
\begin{cases}
x=t_0+h\sum_{i=0}^{N-1}v_i\\
y=t_0+h\sum_{i=0}^{N-1}w_i
\end{cases}
其中，$t_0$为初值，$h$为步长，$N$为步数，$v_i$和
$w_i$分别为$v$和$w$在第$i$个点的值。

降阶法可以用于求解一些无法直接求解的二阶微分方程组，但需要注意的是，数值解的精度可能会受到步长和步数的影响，因此需要根据实际情况选取合适的步长和步数来保证精度。

常微分方程Ordinary Differential Equations 第一讲可降阶的二阶微分方程内容提要实例可降阶的二阶微分方程的解法 模型求解与分析例1 悬链线方程问题设有一条质量均匀、柔软且不能伸缩的绳索, 两端分别被固定在两个不同的位置, 它在重力作用下处于平衡状态. 试求绳索在平衡状态时所对应的曲线方程.悬链线例1 悬链线方程问题设有一条质量均匀、柔软且不能伸缩的绳索, 两端分别被固定在两个不同的位置, 它在重力作用下处于平衡状态. 试求绳索在平衡状态时所对应的曲线方程.背景这是历史上一个著名的力学问题,它最初是由雅克布.伯努利在1690 年提出的. 在此之前,伽里略曾关注过该问题, 并猜想这条曲线是抛物线, 但后来发现是不对的,最后是由约翰.伯努利解决的. 莱布尼兹将其命名为悬链线,它在工程中有广泛的应用.例1 悬链线方程问题设有一条质量均匀、柔软且不能伸缩的绳索, 两端分别被固定在两个不同的位置, 它在重力作用下处于平衡状态. 试求绳索在平衡状态时所对应的曲线方程.悬链线解第一步建立数学模型设绳索的最低点为D , 取y 轴通过点D 铅直向上, x 轴水平向右, 且点D 到原点O 的距离为一定值a . 由题意, 曲线在点D 处的切线斜率为零.如图, 建立坐标系.例1 悬链线方程问题设有一条质量均匀、柔软且不能伸缩的绳索, 两端分别被固定在两个不同的位置, 它在重力作用下处于平衡状态. 试求绳索在平衡状态时所对应的曲线方程.悬链线(,) ,,, .M x y DM s DM 设 为绳索上任一点 的弧长为 绳索的线密度为 下面分析弧段 的受力情况解第一步建立数学模型,.D M 由于绳索是柔弱的 故在点和处的张力沿切线方向例1 悬链线方程问题设有一条质量均匀、柔软且不能伸缩的绳索, 两端分别被固定在两个不同的位置, 它在重力作用下处于平衡状态. 试求绳索在平衡状态时所对应的曲线方程.悬链线sin ,cos ,T gs T H θρθ==tan .gsH ρθ=于是可得解第一步建立数学模型, ,,D H MT 设点处的张力大小为点处的张力大小为 因弧段处于平衡状态 则有例1 悬链线方程问题设有一条质量均匀、柔软且不能伸缩的绳索, 两端分别被固定在两个不同的位置, 它在重力作用下处于平衡状态. 试求绳索在平衡状态时所对应的曲线方程.解第一步建立数学模型tan .gsH ρθ=20tan ,1d ,xy s y x θ''==+⎰将代入上式并求导得21(1)1,(0),(0)0,.H y y y a y a a gρ''''=+===问题将核废料装在密封的圆桶里沉到水深约91米的海里. 问这种处理方法是否安全?背景这曾是美国原子能委员会提出的处理核废料的方案.生态学家和科学家担心这种做法不安全而提出疑问.原子能委员会向他们保证：圆桶绝不会破裂.经过周密的试验,证明圆桶的密封性是很好的.但工程师们又问：圆桶是否会因为与海底碰撞而发成破裂?随后他们进行了大量的试验后发现：当圆桶的速度超过12.2m/s时,圆桶会因碰撞而破裂.那么圆桶到达海底时的速度到底是多少呢?它会因碰撞而破裂吗?问题将核废料装在密封的圆桶里沉到水深约91米的海里. 问这种处理方法是否安全?安全隐患:(1) 圆桶密封性; (2) 圆桶因碰撞而破裂实验结论:(1) 圆桶所受阻力与圆桶的下沉方位无关,与下沉速度成正比, 比例系数k=0.12;(2) 圆桶速度超过12.2米时,圆桶会因碰撞而破裂.核废料的定义：核废料泛指在核燃料生产、加工和核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料.核废料的特征：①放射性: 核废料的放射性不能用一般的物理、化学和生物方法消除, 只能靠放射性核素自身的衰变而减少.②射线危害: 核废料放出的射线通过物质时, 发生电离和激发作用, 对生物体会引起辐射损伤.③热能释放: 核废料中放射性核素通过衰变放出能量，当放射性核素含量较高时, 释放的热能会导致核废料的温度不断上升, 甚至使溶液自行沸腾, 固体自行熔融.处理方法:核废料的处理，国际上通常采用海洋和陆地两种方法处理核废料. 一般是先经过冷却、干式储存，然后再将装有核废料的金属罐投入选定海域4000米以下的海底,或深埋于建在地下厚厚岩石层里的核废料处理库中. 美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚等一些国家因幅员辽阔、荒原广袤, 一般采用陆地深埋法.封装处置法盛放曼哈顿计划核废料的瓶子问题将核废料装在密封的圆桶里沉到水深约91米的海里. 问这种处理方法是否安全?所用常数:圆桶重量: W=239.456 Kg海水浮力: 1025.94kg/m3圆桶体积: V=0.208 m3问题将核废料装在密封的圆桶里沉到水深约91米的海里. 问这种处理方法是否安全?解如图, 建立坐标系设W 表示重量,B 表示浮力, D 表示阻力, 则F =W －B －D,B=1025.94×V =213.396,D=kv=0.12v .x Oy y 根据牛顿第二定律F =ma ,得.0)0()0(,0)0(=='=v y y 22d d (2),d d y y W B k m t t--=可降阶的二阶微分方程的类型型微分方程(,)y f x y'''=型微分方程(,)y f y y'''=(),y p x '=设,y p '''=则特点.y 右端不含解法),(.1y x f y '=''二、解法(),.p x y 先求出然后求() p x 于是原方程化为关于函数的一阶方程(,).p f x p '=(),y p y '=设d d d ,d d d p y p y p y x y''=⋅=则():p y 代入原方程得到新函数的一阶方程特点.x 右端不显含自变量解法d (,).d p p f y p y=),(.2y y f y '=''(),.p y y 先求出然后求例1211,(0),(0)0.y y y a y a''''=+==(),,y p x y p ''''==令则于是原方程化为,cosh .x y p y a a '==将 代入并积分 解得悬链线方程为22221cosh 1()21cosh .2x x x o x a ax y a y a x a a =++==+ 当||很小时，由泰勒展开知悬链线方程近似于抛物线注记211.p p a'=+三、模型求解解2ln(1 ), sinh x x p p p a a++==积分并代入初值可得即.解法1(),,y v x y v ''''==令则于是原方程化为(1),k t m W B v e k--=-解得2d d t t2()().k t m W B m W B m y t e k kk ---=+-.k W B v v m m-'+=91,.y t v =需要令求出时间然后求出速度问题回答非常困难!!解法22d d t t(),,y v y y v v ''''==令则于是原方程化为2()ln().mv m W B W B kv y k k W B---=---求解可得91?y v =令求问题.v 仍难求的精确值回答13.64(m /s).v ≈通过近似方法，如牛顿法，求出(m/s)(m/s),13.6412..2>因为所以圆桶可能发生破裂.这种处理核废料全的方法不安结论.mv v W B kv '=--补充利用软件Mathematica 计算v 的近似值2()ln(),=91.mv m W B W B kv y y k k W B---=---感谢大家的聆听！参考文献[1] 王宪杰, 侯仁民, 赵旭强. 高等数学典型应用实例与模型. 北京: 科学出版社, 2006.[2] 周义仓, 靳祯, 秦军林. 常微分方程及其应用(第二版).北京: 科学出版社, 2010.[3] 王树禾. 数学模型选讲(第二版). 北京: 科学出版社,2008.[4] D. G. Zill. A First Course in Differential Equations withModeling Applications, 10 th edition. Boston: Brooks / Cole Publishing Company, 2013.参考文献[1] 王宪杰, 侯仁民, 赵旭强. 高等数学典型应用实例与模型. 北京: 科学出版社, 2006.[2] 王树禾. 数学模型选将. 北京: 科学出版社, 2008.[3] D. G. Zill. A First Course in Differential Equations with Modeling Applications, 10 th edition. Boston: Brooks / Cole Publishing Company, 2013.。

第四节 二阶常系数线性微分圆程之阳早格格创做一、二阶常系数线形微分圆程的观念 形如 )(x f qy y p y =+'+'' (1)p 、q 均为真数,)(x f 为已知的连绝函数.如果0)(≡x f ,则圆程式 (1)形成0=+'+''qy y p y (2)咱们把圆程(2)喊干二阶常系数齐次线性圆程,把圆程式(1)喊干二阶常系数非齐次线性圆程. 本节咱们将计划其解法.二、二阶常系数齐次线性微分圆程1．解的叠加性定理1 如果函数1y 与2y 是式(2)的二个解, 则2211y C y C y +=也是式(2)的解,其中21,C C 是任性常数.道明 果为1y 与2y 是圆程(2)的解,所以有 将2211y C y C y +=代进圆程(2)的左边,得=0)()(22221111=+'+''++'+''qy y p y C qy y p y C 所以2211y C y C y +=是圆程(2)的解.定理1道明齐次线性圆程的解具备叠加性. 叠加起去的解从形式瞅含有21,C C 二个任性常数,但是它纷歧定是圆程式(2)的通解.2.线性相闭、线性无闭的观念设,,,,21n y y y 为定义正在区间I 内的n 个函数,若存留没有齐为整的常数,,,,21n k k k 使恰当正在该区间内有02211≡+++n n y k y k y k , 则称那n 个函数正在区间I 内线性相闭,可则称线性无闭.比圆 x x 22sin ,cos ,1正在真数范畴内是线性相闭的,果为又如2,,1x x 正在所有区间(a,b)内是线性无闭的,果为正在该区间内要使必须0321===k k k .对于二个函数的情形,若=21y y 常数, 则1y ,2y 线性相闭,若≠21y y 常数, 则1y ,2y 线性无闭. 3.二阶常系数齐次微分圆程的解法定理2 如果1y 与2y 是圆程式(2)的二个线性无闭的特解,则212211,(C C y C y C y +=为任性常数)是圆程式(2)的通解.比圆,0=+''y y 是二阶齐次线性圆程,x y x y cos ,sin 21==是它的二个解,且≠=x y y tan 21常数,即1y ,2y 线性无闭, 所以 x C x C y C y C y cos sin 212211+=+= (21,C C 是任性常数)是圆程0=+''y y 的通解. 由于指数函数rx e y =(r 为常数)战它的各阶导数皆只好一个常数果子, 根据指数函数的那个特性,咱们用rx e y =去试着瞅是可采用适合的常数r ,使rx e y =谦脚圆程(2).将rx e y =供导,得把y y y ''',,代进圆程(2),得果为0≠rx e , 所以惟有 02=++q pr r (3)只消r 谦脚圆程式(3),rx e y =便是圆程式(2)的解.咱们把圆程式(3)喊干圆程式(2)的特性圆程,特性圆程是一个代数圆程,其中r r ,2的系数及常数项恰佳依次是圆程(2)y y y ,,'''的系数.特性圆程(3)的二个根为 2422,1q p p r -±-=, 果此圆程式(2)的通解有下列三种分歧的情形.(1) 当042>-q p 时，21,r r 是二个没有相等的真根.2421q p p r -+-=,2422q p p r ---= xr x r e y e y 2121,==是圆程(2)的二个特解,而且≠=-x r r e y y )(2121常数,即1y 与2y ,得圆程(2)的通解为x r x r e C e C y 2121+=(2) 当042=-q p 时, 21,r r 是二个相等的真根.221pr r -==,那时只可得到圆程(2)的一个特解x r e y 11=,还需要出另一个解2y ,且≠12y y 常数,设)(12x u y y =, 即 )2(),(21121211u r u r u e y u r u e y x r x r +'+''=''+'='. 将222,,y y y '''代进圆程(2), 得 整治,得由于01≠x r e , 所以 0)()2(1211=+++'++''u q pr r u p r u 果为1r 是特性圆程(3)的二沉根, 所以进而有 0=''u果为咱们只需一个没有为常数的解,无妨与x u =,可得到圆程(2)的另一个解x r xe y 12=.那么,圆程(2)的通解为即 x r e x C C y 1)(21+=. (3) 当042<-q p 时,特性圆程(3)有一对于共轭复根βαβαi r i r -=+=21, (0≠β)于是 x i x i e y e y )(2)(1,βαβα-+==利用欧推公式 x i x e ix sin cos +=把21,y y 改写为 21,y y 之间成共轭闭系,与-1y =x e y y x βαcos )(2121=+, 圆程(2)的解具备叠加性,所以-1y ,-2y 仍旧圆程(2)的解,而且≠==--x x e x e y y x x βββααtan cos sin 12常数,所以圆程(2)的通解为综上所述,供二阶常系数线性齐次圆程通解的步调如下:(1)写出圆程(2)的特性圆程(2)供特性圆程的二个根21,r r(3)根据21,r r 的分歧情形,按下表写出圆程(2)的通解.例1供圆程052=+'+''y y y 的通解.解: 所给圆程的特性圆程为所供通解为 )2sin 2cos (21x C x C e y x +=-.例 2 供圆程0222=++S dt dS dt S d 谦脚初初条件2,400-='===t t S S 的特解.解 所给圆程的特性圆程为通解为 t e t C C S -+=)(21将初初条件40==t S 代进,得 41=C ,于是t e t C S -+=)4(2,对于其供导得将初初条件20-='=t S 代进上式,得所供特解为例3供圆程032=-'+''y y y 的通解.解 所给圆程的特性圆程为 0322=-+r r其根为 1,321=-=r r所以本圆程的通解为 x x e C e C y 231+=-二、二阶常系数非齐次圆程的解法1.解的结构定理3 设*y 是圆程(1)的一个特解,Y 是式(1)所对于应的齐次圆程式(2)的通解,则*+=y Y y 是圆程式(1)的通解.道明 把*+=y Y y 代进圆程(1)的左端:=)()(*+*'+*''++'+''qy py y qY Y p Y=)()(0x f x f =+*+=y Y y 使圆程(1)的二端恒等,所以*+=y Y y 是圆程(1)的解.定理4 设二阶非齐次线性圆程(1)的左端)(x f 是几个函数之战,如)()(21x f x f qy y p y +=+'+''(4)而*1y 与*2y 分别是圆程 )(1x f qy y p y =+'+''与)(2x f qy y p y =+'+''的特解,那么**+21y y 便是圆程(4)的特解, 非齐次线性圆程(1)的特解偶尔可用上述定理去助闲供出.2.)()(x P e x f m x λ=型的解法)()(x P e x f m x λ=,其中λ为常数,)(x P m 是闭于x 的一个m 次多项式.圆程(1)的左端)(x f 是多项式)(x P m 与指数函数x e λ乘积的导数仍为共一典型函数,果此圆程(1)的特解大概为x e x Q y λ)(=*,其中)(x Q 是某个多项式函数. 把 x e x Q y λ)(=*代进圆程(1)并消去x e λ,得)()()()()2()(2x P x Q q p x Q p x Q m =+++'++''λλλ(5) 以下分三种分歧的情形,分别计划函数)(x Q 的决定要领:(1) 若λ没有是圆程式(2)的特性圆程02=++q pr r 的根, 即02≠++q p λλ,要使式(5)的二端恒等,可令)(x Q 为另一个m 次多项式)(x Q m :代进(5)式,并比较二端闭于x 共次幂的系数,便得到闭于已知数m b b b ,,,10 的1+m ),,1,0(m i b i =.进而得到所供圆程的特解为(2) 假如λ特性圆程02=++q pr r 的单根, 即02,02≠+=++p q p λλλ,要使式(5)创造, 则)(x Q '必须假如m 次多项式函数,于是令用共样的要领去决定)(x Q m 的系数),,1,0(m i b i =.(3) 假如λ特性圆程02=++q pr r 的沉根,即,02=++q p λλ02=+p λ.要使(5)式创造,则)(x Q ''必须是一个m 次多项式，可令用共样的要领去决定)(x Q m 的系数.综上所述,若圆程式(1)中的x m e x P x f λ)()(=,则式(1)的特解为其中)(x Q m 是与)(x P m 共次多项式,k 按λ没有是特性圆程的根,是特性圆程的单根或者是特性圆程的沉根依次与0,1或者2.例4 供圆程x e y y 232-='+''的一个特解.解)(x f 是x m e x p λ)(型, 且2,3)(-==λx P m对于应齐次圆程的特性圆程为 022=+r r ,特性根根为2,021-==r r .λ=-2是特性圆程的单根, 令x e xb y 20-=*,代进本圆程解得故所供特解为 x xe y 223--=* . 例5 供圆程x e x y y )1(2-='-''的通解.解 先供对于应齐次圆程02=+'-''y y y 的通解. 特性圆程为 0122=+-r r , 121==r r齐次圆程的通解为 x e x C C Y )(21+=. 再供所给圆程的特解由于1=λ是特性圆程的二沉根,所以把它代进所给圆程,并约去x e 得比较系数,得于是 x e x x y )216(2-=* 所给圆程的通解为 x e x x x C C y y y )6121(3221+-+=+=* 3.x B x A x f ϖϖsin cos )(+=型的解法,sin cos )(x B x A x f ωω+=其中A 、B 、ω均为常数. 此时,圆程式(1)成为x B x A q y p y ωωsin cos +=+'+''(7)那种典型的三角函数的导数,仍属共一典型,果此圆程式(7)的特解*y 也应属共一典型,不妨道明式(7)的特解形式为其中b a ,为待定常数.k 为一个整数. 当ω±i 没有是特性圆程02=++q pr r 的根,k 与0; 当ω±i 没有是特性圆程02=++q pr r 的根,k 与1; 例6 供圆程x y y y sin 432=-'+''的一个特解. 解 1=ω，ω±i i ±=没有是特性圆程为0322=-+r r 的根，0=k .果此本圆程的特解形式为 于是 x b x a y cos sin +-=*'将*''*'*y y y ,,代进本圆程，得解得 54,52-=-=b a本圆程的特解为: x x y sin 54cos 52--=* 例7 供圆程x e y y y x sin 32+=-'-''的通解. 解先供对于应的齐次圆程的通解Y .对于应的齐次圆程的特性圆程为再供非齐次圆程的一个特解*y .由于x e x x f -+=2cos 5)(,根据定理4,分别供出圆程对于应的左端项为,)(1x e x f =x x f sin )(2=的特解*1y 、*2y ,则 **+=*21y y y 是本圆程的一个特解. 由于1=λ,ω±i i ±=均没有是特性圆程的根,故特解为代进本圆程,得比较系数,得解之得 51,101,41-==-=c b a . 于是所给圆程的一个特解为 所以所供圆程的通解为x x e e C e C y Y y x x x sin 51cos 10141321-+-+=+=-*.。

第五节 可降阶的二阶微分方程对一般的二阶微分方程没有普遍的解法，本节讨论三种特殊形式的二阶微分方程，它们有的可以通过积分求得，有的经过适当的变量替换可降为一阶微分方程，然后求解一阶微分方程，再将变量回代，从而求得所给二阶微分方程的解.内容分布图示★ ())(x f y n =型★ 例1★ 例2 ★ 例3★ ),(y x f y '=''型★ 例4 ★ 例5★ 例6 ★ 例7 ★ ),(y y f y '=''型★ 例8★ 例9 ★ 内容小结★ 课堂练习 ★ 习题12—5★ 返回内容要点：一、 )(x f y =''型在方程)(x f y =''两端积分，得1)(C dx x f y +='⎰ 再次积分，得[]21)(C dx C dx x f y ++=⎰⎰注：这种类型的方程的解法，可推广到n 阶微分方程)()(x f y n =，只要连续积分n 次, 就可得这个方程的含有n 个任意常数的通解.二、),(y x f y '=''型这种方程的特点是不显含未知函数y ，求解的方法是：令),(x p y =' 则)(x p y '=''，原方程化为以)(x p 为未知函数的一阶微分方程，).,(p x f p ='设其通解为),,(1C x p ϕ=然后再根据关系式,p y =' 又得到一个一阶微分方程).,(1C x dxdy ϕ= 对它进行积分，即可得到原方程的通解.),(21⎰+=C dx C x y ϕ三、),(y y f y '=''型这种方程的特点是不显含自变量x . 解决的方法是：把y 暂时看作自变量，并作变换),(y p y =' 于是，由复合函数的求导法则有.dydp p dx dy dy dp dx dp y =⋅=='' 这样就将原方程就化为 ).,(p y f dydp p = 这是一个关于变量y 、p 的一阶微分方程. 设它的通解为),,(1C y p y ϕ=='这是可分离变量的方程，对其积分即得到原方程的通解.),(21C x C y dy +=⎰ϕ例题选讲：)(x f y =''型例1（讲义例1）求方程x ey x cos 2-=''满足1)0(,0)0(='=y y 的特解. 例2（讲义例2）求方程0)3()4(=-y xy 的通解.例 3 质量为m 的质点受力F 的作用沿Ox 轴作直线运动. 设力F 仅是时间t 的函数: ).(t F F = 在开始时刻0=t 时,)0(0F F = 随着时间t 的增大, 此力F 均匀的减少, 直到T t =时, .0)(=T F 如果开始时质点位于原点, 且初速度为零, 求这质点的运动规律.),(y x f y '=''型例4（讲义例3）求方程02)1(222=-+dx dy x dxy d x 的通解. 例5 求微分方程初值问题. ,2)1(2y x y x '=''+ ,10==x y 30='=x y的特解.例6 求微分方程12='+''y y x 满足),1(2)1(y y '= 且当0→x 时，y 有界的特解.例7（讲义例4）设有一均匀、柔软的而无伸缩性的绳索，两端固定，绳索仅受重力的作用而下垂. 求绳索曲线在平衡状态时的方程.),(y y f y '=''型例8（讲义例5）求方程02='-''y y y 的通解.例9 求微分方程)(22y y y y '-'=''满足初始条件,1)0(=y 2)0(='y 的特解.课堂练习1. 求方程x y ln ='''的通解.2.求微分方程223y y =''满足初始条件1|,1|00='===x x y y 的特解. 3.一质量为m 的物体, 在粘性液体中由静止自由下落, 假设液体阻力与运动速度成正比, 试求物体的运动规律.。

第八章 8.4讲第四节 二阶常系数线性微分方程一、二阶常系数线形微分方程的概念形如 )(x f qy y p y =+'+''(1)的方程称为二阶常系数线性微分方程.其中p 、q 均为实数,)(x f 为已知的连续函数.如果0)(≡x f ,则方程式 (1)变成0=+'+''qy y p y(2)我们把方程(2)叫做二阶常系数齐次线性方程,把方程式(1)叫做二阶常系数非齐次线性方程. 本节我们将讨论其解法.二、二阶常系数齐次线性微分方程1．解的叠加性定理 1 如果函数1y 与2y 是式(2)的两个解, 则2211y C y C y +=也是式(2)的解,其中21,C C 是任意常数. 证明 因为1y 与2y 是方程(2)的解,所以有将2211y C y C y +=代入方程(2)的左边,得所以2211y C y C y +=是方程(2)的解.定理1说明齐次线性方程的解具有叠加性.叠加起来的解从形式看含有21,C C 两个任意常数,但它不一定是方程式(2)的通解.2.线性相关、线性无关的概念设,,,,21n y y y Λ为定义在区间I 内的n 个函数,若存在不全为零的常数,,,,21n k k k Λ使得当在该区间内有02211≡+++n n y k y k y k Λ, 则称这n 个函数在区间I 内线性相关,否则称线性无关.例如 x x 22sin ,cos ,1在实数范围内是线性相关的,因为 又如2,,1x x 在任何区间(a,b)内是线性无关的,因为在该区间内要使必须0321===k k k .对两个函数的情形,若=21y y 常数, 则1y ,2y 线性相关,若≠21y y 常数, 则1y ,2y 线性无关. 3.二阶常系数齐次微分方程的解法定理 2 如果1y 与2y 是方程式(2)的两个线性无关的特解,则212211,(C C y C y C y +=为任意常数)是方程式(2)的通解.例如, 0=+''y y 是二阶齐次线性方程,x y x y cos ,sin 21==是它的两个解,且≠=x y y tan 21常数,即1y ,2y 线性无关, 所以 x C x C y C y C y cos sin 212211+=+= ( 21,C C 是任意常数)是方程0=+''y y 的通解.由于指数函数rx e y =(r 为常数)和它的各阶导数都只差一个常数因子, 根据指数函数的这个特点,我们用rx e y =来试着看能否选取适当的常数r ,使rx e y =满足方程(2).将rx e y =求导,得把y y y ''',,代入方程(2),得因为0≠rx e , 所以只有 02=++q pr r(3)只要r 满足方程式(3),rx e y =就是方程式(2)的解.我们把方程式(3)叫做方程式(2)的特征方程,特征方程是一个代数方程,其中r r ,2的系数及常数项恰好依次是方程(2)y y y ,,'''的系数.特征方程(3)的两个根为 2422,1q p p r -±-=, 因此方程式(2)的通解有下列三种不同的情形.(1) 当042>-q p 时，21,r r 是两个不相等的实根.x r x r e y e y 2121,==是方程(2)的两个特解,并且≠=-x r r e y y )(2121常数,即1y 与2y 线性无关.根据定理2,得方程(2)的通解为x r x r e C e C y 2121+=(2) 当042=-q p 时, 21,r r 是两个相等的实根. 221p r r -==,这时只能得到方程(2)的一个特解x r e y 11=,还需求出另一个解2y ,且≠12y y 常数,设)(12x u y y =, 即 将222,,y y y '''代入方程(2), 得 整理,得由于01≠x r e , 所以 0)()2(1211=+++'++''u q pr r u p r u 因为1r 是特征方程(3)的二重根, 所以从而有 0=''u因为我们只需一个不为常数的解,不妨取x u =,可得到方程(2)的另一个解那么,方程(2)的通解为即 x r e x C C y 1)(21+=. (3) 当042<-q p 时,特征方程(3)有一对共轭复根 于是 x i x i e y e y )(2)(1,βαβα-+==利用欧拉公式 x i x e ix sin cos +=把21,y y 改写为21,y y 之间成共轭关系,取方程(2)的解具有叠加性,所以-1y ,-2y 还是方程(2)的解,并且≠==--x x e x e y y x x βββααtan cos sin 12常数,所以方程(2)的通解为 综上所述,求二阶常系数线性齐次方程通解的步骤如下:(1)写出方程(2)的特征方程(2)求特征方程的两个根21,r r(3)根据21,r r 的不同情形,按下表写出方程(2)的通解.例1求方程052=+'+''y y y 的通解.解: 所给方程的特征方程为所求通解为 )2sin 2cos (21x C x C e y x +=-.例 2 求方程0222=++S dt dS dtS d 满足初始条件2,400-='===t t S S 的特解.解 所给方程的特征方程为通解为 t e t C C S -+=)(21 将初始条件40==t S 代入,得 41=C ,于是t e t C S -+=)4(2,对其求导得 将初始条件20-='=t S 代入上式,得所求特解为例3求方程032=-'+''y y y 的通解.解 所给方程的特征方程为 0322=-+r r其根为 1,321=-=r r所以原方程的通解为 x x e C e C y 231+=-二、二阶常系数非齐次方程的解法1.解的结构定理3 设*y 是方程(1)的一个特解,Y 是式(1)所对应的齐次方程式(2)的通解,则*+=y Y y 是方程式(1)的通解.证明 把*+=y Y y 代入方程(1)的左端:*+=y Y y 使方程(1)的两端恒等,所以*+=y Y y 是方程(1)的解.定理4 设二阶非齐次线性方程(1)的右端)(x f 是几个函数之和,如)()(21x f x f qy y p y +=+'+'' (4)而*1y 与*2y 分别是方程 )(1x f qy y p y =+'+''与 )(2x f qy y p y =+'+''的特解,那么**+21y y 就是方程(4)的特解, 非齐次线性方程(1)的特解有时可用上述定理来帮助求出.2.)()(x P e x f m x λ=型的解法)()(x P e x f m x λ=,其中λ为常数,)(x P m 是关于x 的一个m 次多项式.方程(1)的右端)(x f 是多项式)(x P m 与指数函数x e λ乘积的导数仍为同一类型函数,因此方程(1)的特解可能为x e x Q y λ)(=*,其中)(x Q 是某个多项式函数.把 x e x Q y λ)(=*代入方程(1)并消去x e λ,得)()()()()2()(2x P x Q q p x Q p x Q m =+++'++''λλλ(5)以下分三种不同的情形,分别讨论函数)(x Q 的确定方法:(1) 若λ不是方程式(2)的特征方程02=++q pr r 的根,即02≠++q p λλ,要使式(5)的两端恒等,可令)(x Q 为另一个m 次多项式)(x Q m :代入(5)式,并比较两端关于x 同次幂的系数,就得到关于未知数m b b b ,,,10Λ的1+m 个方程.联立解方程组可以确定出),,1,0(m i b i Λ=.从而得到所求方程的特解为(2) 若λ是特征方程02=++q pr r 的单根, 即02,02≠+=++p q p λλλ,要使式(5)成立, 则)(x Q '必须要是m 次多项式函数,于是令用同样的方法来确定)(x Q m 的系数),,1,0(m i b i Λ=.(3) 若λ是特征方程02=++q pr r 的重根,即,02=++q p λλ 02=+p λ.要使(5)式成立,则)(x Q ''必须是一个m 次多项式，可令 用同样的方法来确定)(x Q m 的系数.综上所述,若方程式(1)中的x m e x P x f λ)()(=,则式(1)的特解为其中)(x Q m 是与)(x P m 同次多项式,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.例4 求方程x e y y 232-='+''的一个特解.解 )(x f 是x m e x p λ)(型, 且2,3)(-==λx P m对应齐次方程的特征方程为 022=+r r ,特征根根为2,021-==r r .λ=-2是特征方程的单根, 令x e xb y 20-=*,代入原方程解得故所求特解为 x xe y 223--=* .例5 求方程x e x y y )1(2-='-''的通解.解 先求对应齐次方程02=+'-''y y y 的通解. 特征方程为 0122=+-r r , 121==r r齐次方程的通解为 x e x C C Y )(21+=. 再求所给方程的特解由于1=λ是特征方程的二重根,所以把它代入所给方程,并约去x e 得比较系数,得于是 x e x x y )216(2-=* 所给方程的通解为 x e x x x C C y y y )6121(3221+-+=+=*3.x B x A x f ϖϖsin cos )(+=型的解法,sin cos )(x B x A x f ωω+=其中A 、B 、ω均为常数. 此时,方程式(1)成为x B x A q y p y ωωsin cos +=+'+'' (7)这种类型的三角函数的导数,仍属同一类型,因此方程式(7)的特解*y 也应属同一类型,可以证明式(7)的特解形式为 其中b a ,为待定常数.k 为一个整数.当ω±i 不是特征方程02=++q pr r 的根, k 取0; 当ω±i 不是特征方程02=++q pr r 的根, k 取1; 例6 求方程x y y y sin 432=-'+''的一个特解. 解 1=ω，ω±i i ±=不是特征方程为0322=-+r r 的根，0=k .因此原方程的特解形式为于是 x b x a y cos sin +-=*' 将*''*'*y y y ,,代入原方程，得解得 54,52-=-=b a原方程的特解为: x x y sin 54cos 52--=* 例7 求方程x e y y y x sin 32+=-'-''的通解.解 先求对应的齐次方程的通解Y .对应的齐次方程的特征方程为再求非齐次方程的一个特解*y .由于x e x x f -+=2cos 5)(,根据定理4,分别求出方程对应的右端项为,)(1x e x f =x x f sin )(2=的特解*1y 、*2y ,则**+=*21y y y 是原方程的一个特解.第 11 页 由于1=λ,ω±i i ±=均不是特征方程的根,故特解为 代入原方程,得比较系数,得解之得 51,101,41-==-=c b a . 于是所给方程的一个特解为所以所求方程的通解为希望以上资料对你有所帮助，附励志名言3条：1、理想的路总是为有信心的人预备着。

郑州航空工业管理学院毕业论文（设计）2015届数学与应用数学专业1111062班级题目二阶常微分方程的降阶解法姓名贾静静学号111106213指导教师程春蕊职称讲师2015年4月5号二阶常微分方程的降阶解法摘要常微分方程是数学领域的一个非常重要的课题，并在实践中广泛于解决问题，分析模型。

常微分方程在微分理论中占据首要位置•普遍应用在工程应用、科学研究以及物理学方面，不少应用范例都归结为二阶线性常微分方程的求解问题。

而正常情况下，常系数微分方程依据线性常微分方程的日常理论是可以求解的•不过对于变系数二阶线性常微分方程的求解却有一定程度的困难，迄今为止还没有一个行之有效的普遍方法。

本文主要考虑了二阶常系数线性微分方程的降阶法。

关于二阶常系数线性微分方程的求解问题，首先，我们给出二阶齐次常系数线性微分方程的特征方程，并求解出特征方程的两个特征根；其次，利用积分因子乘以微分方程和导数的运算，将二阶常系数线性微分方程化为一阶微分形式；最后，将一阶微分形式两边同时积分，求解一阶线性微分方程，可求得二阶常系数线性微分方程的一个特解或通解。

关于二阶变系数齐次线性微分方程的求解问题，化为恰当方程通过降阶法求解二阶齐次变系数微分方程的通解。

对于非齐次线性微分方程，只需再运用常数变易法求出它的一个特解，问题也就相应地解决了。

关键词二阶常微分方程；降阶法；特征根；常数变易法；一阶微分形式Order reduction method of second order ordinarydifferential equationsJingjing Jia Chun「ui Cheng 111106213AbstractOrdinary differential equation is a very important topic in the field of mathematics, it has been widely used in solving the problem and analyzing model in practice ・ Ordinary differential equations in the theory of d if fere ntial occupied first place, it has been widely used in engi neering application and scientific research as well as physics, many application examples are attributed to second order linear ordinary differential equation solving problem・ And under normal circumstances,ordinary coefficient differential equation on the basis of the linear often daily theory of differential equations is can be solved. But for the solution for variable coefficient second order linear ordinary differential equations have a certain degree of difficulty? so far we haven't a well-established general method・This paper mainly introduces the method of reduction of order two order linear differential equation with constant coefficients.On the problem of solving the linear differential equation with two order constant coefficients,first, we give homogeneous ordinary coefficient linear differential equation of the characteristic equation and solve the two characteristic roots of characteristic equation;secondly?we should use theintegral fact or times d if fere ntial equation and derivative operation and turn two order constant coefficient linear differential equation into the first order differential equation.Finally. We first order differential and integral form on both sides, solve the first order linear differential equations and find out a special solution or gen era I solution of the second orde r linear constant coefficie nt differential equation. We solve the problem of second order homogeneous linear differential equation with variable coefficients, and should be turned into the appropriate equation, through the order reduction method to solve the second order homogeneous general solution of differential equation with variable coefficients.Solving non-homogeneous linear differential equation, we need to calculate it by applying the method of constant variation of a particular solution, problem is solved accordingly.Keywordssecond order ordinary differential equation ；Order reduction method; Characteristic root;Constant variation method;A first order differential form.第一章预备知识 (2)第二章二阶常系数线性微分方程的降阶法 (5)2.2提出问题 (5)2.2二阶非齐次常系数线性微分方程的降阶法 (6)2.3举例 (6)2.4小结 (8)第三章二阶变系数线性常微分方程的降阶法 (9)3.2提出问题 (10)3.2二阶齐次变系数线性常微分方程的降阶法 (10)3.2.1求满足条件1的恰当方程的通解 (10)3.2.2求满足条件2的恰当方程的通解 (12)3.3小结 (14)第四章可降阶的二阶常微分方程 (15)4.1鬃= /（"）型的微分方程 (15)d'y _ f（ dy^4.2d'x L'd.J型的微分方程 (15)4.3=型的微分方程 (16)第五章可降阶的高阶常微分方程 (18)5.1= /（x）型的方程 (18)5.2%,严$叫...严）=o（i“s）型的方程.. (18)5.3F（y,y',y"，...,严）=0 的方程.. (19)54 F（x,y,〉「,...$"））=＜①（X,y"T）=o型的方程……20 d.x总结 (21)... (23)二阶常微分方程的降阶解法班级学号1111062贾静静指导教师程春蕊职称讲师第一章预备知识2•只有自变量、未知函数及函数的导数(或微分)构成的关系式，就是微分方程。