二阶常系数齐次线性方程的解法

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二阶常系数齐次线性方程的解法

前面我们已经知道了,无论是线性齐次方程和非齐次方程,它们的通解结构虽然知道,但通解的寻求却是建立在已知特解的基础上。但是,即使对二阶线性齐次方程,特解的寻求也没有一般的方法。但是对于常系数的二阶线性齐次方程,它的通解可按一定的方法很容易求的。

二阶线性齐次方程的解法

二阶线性齐次方程的一般形式为:,其中a1,a2为实常数。

我们知道指数函数e ax求导后仍为指数函数。利用这个性质,可适当的选择常数ρ,使e ax满足方程上面的方程。我们可令:,代入上面的方程得:

因为e ax≠0,所以:

这样,对于上面二次方程的每个根ρ,e ax就是方程的一个解。方

程就被称为方程的特征方程。根据这个代数方程的根的不同性质,我们分三种不同的情况来讨论:

1.特征方程有两个不等的实根的情形

设此两实根为。于是是齐次方程的两个

特解,由于它们之比不等于常数,所以它们线性独立,因此,方程的通解为:

其中c1,c2为实常数。

2.特征方程有重根的情形

此时特征方程的重根应为:,于是只能得到的一个特解:

,我们可根据常数变易法再求其另一个特解为:.于是方程

的通解为:

3.特征方程有共轭复根的情形

设共轭复根为,那末是方程

的两个线性独立的解,但是这种复数形式的解使用不方便,为了得到

实数形式的解,利用欧拉公式:,为此可以得到方程

的通解:

由上面可知,求二阶常系数线性齐次方程通解的步骤为:

1.对照方程写出其特征方程:;

2.求出特征方程的两个根:ρ1,ρ2

3.根据ρ1,ρ2是不同实根,相同实根,共轭复根,分别利用上面的公式写出原方程的通解。

例题:求方程的通解.

解答:此方程的特征方程为:

它有两个不相同的实根,因此所求的通解为:

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