常数变易法求解一阶非齐次线性微分方程
对于一阶非齐次线性微分方程
y′+p(x)y=q(x)
先用分离变量法求解对应的齐次方程
⇒y′+p(x)y=0y=Ce−∫p(x)dx
将 C 改为 C(x),令 y=C(x)e−∫p(x)dx,代入原非齐次方程得
⇒⇒[C′(x)e−∫p(x)dx−p(x)e−∫p(x)dx]+p(x)e−∫p(x)dx=q(x)C′(x)e−∫p(x)dx=q(x)C(x)=∫q(x)e∫p(x)dxdx+C
所以一阶非齐次线性微分方程的通解为
y=e−∫p(x)dx(∫q(x)e∫p(x)dxdx+C)
常数变易法求解二阶非齐次线性微分方程
对于二阶非齐次线性微分方程
y′′+p(x)y′+q(x)y=f(x)
设对应齐次方程的两个线性无关解为 y1,y2,则其通解为
y=C1y1+C2y2(C1,C2为任意常数)
因此可设非齐次方程的特解为
y∗=C1(x)y1+C2(x)y2
为确定函数 C1(x),C2(x),可对上式进行求导得
(y∗)′=[C1′(x)y1+C1(x)y1′]+[C2′(x)y2+C2(x)y2′]=[C1′(x)y1+C2′(x)y2]+[C1(x)y1′+C2(x)y2′]
接下来对上式再进行一次求导,不过在此之前,为了使得 y′′ 中不含 C1′′(x),C2′′(x),可令 C1′(x)y1+C2′(x)y2=0,现在对上式求导得
(y∗)′′=[C1(x)y1′+C2(x)y2′]′=[C1′(x)y1′+C1(x)y1′′]+[C2′(x)y2′+C2(x)y2′′]
将 y,y′,y′′ 代入原非齐次方程得
⇒⇒[C1′(x)y1′+C1(x)y1′′]+[C2′(x)y2′+C2(x)y2′′]+p(x)[C1(x)y1′+C2(x)y2′]+q(x)[C1(x)y1+C2(x)y2]=f(x)C1(x)[y1′′+p(x)y1′+q(x)y1]+C2(x)[y2′′+p(x)y2′+q(x)y2]+[C1′(x)y1′+C2′(x)y2′]=f(x)C1′(x)y1′+C2′(x)y2′=f(x)
联立两个方程
{C1′(x)y1+C2′(x)y2=0C1′(x)y1′+C2′(x)y2′=f(x)
即可求得 C1′(x),C2′(x),最后进行积分得到 C1(x),C2(x)。
【注】常数变易法在同济七版高等数学中有介绍,适用于求解任意二阶非齐次常系数线性微分方程(提醒:在考研范围内,非齐次项的形式是固定的,而非任意形式)。
例题
【例 1】求解微分方程 y′′+3y′+2y=x2
【解】先求对应齐次通解:y=C1e−x+C2e−2x,所以 y1=e−x,y2=e−2x,解方程组
{C1′(x)e−x+C2′(x)e−2x=0−C1′(x)e−x−2C2′(x)e−2x=x2
可求得
⎩⎨⎧C1′(x)=0x2e−2x−2e−2x/e−x−e−xe−2x−2e−2x=−e−3x−x2e−2x=x2exC2′(x)=e−x−e−x0x2/e−x−e−xe−2x−2e−2x=−e−3xx2e−x=−x2e2x
于是
{C1(x)=(x2−2x+2)exC2(x)=−41(2x2−2x+1)e2x
所以特解为
y∗=C1(x)y1+C2(x)y2=(x2−2x+2)−41(2x2−2x+1)=21x2−23x+47
【例 2】求解微分方程 y′′+3y′+2y=sinx
【解】先求对应齐次通解:y=C1e−x+C2e−2x,所以 y1=e−x,y2=e−2x,解方程组
{C1′(x)e−x+C2′(x)e−2x=0−C1′(x)e−x−2C2′(x)e−2x=sinx
可求得
⎩⎨⎧C1′(x)=0sinxe−2x−2e−2x/e−x−e−xe−2x−2e−2x=−e−3xe−2xsinx=exsinxC2′(x)=e−x−e−x0sinx/e−x−e−xe−2x−2e−2x=−e−3xe−xsinx=−e2xsinx
于是
{C1(x)=21(sinx−cosx)exC2(x)=−54(21sinx−41cosx)e2x
所以特解为
y∗=C1(x)y1+C2(x)y2=21(sinx−cosx)−54(21sinx−41cosx)=101sinx−103cosx
【例 3】求解微分方程 y′′+4y=cos2x
【解】先求对应齐次通解:y=C1cos2x+C2sin2x,所以 y1=cos2x,y2=sin2x,解方程组
{C1′(x)cos2x+C2′(x)sin2x=0−2C1′(x)sin2x+2C2′(x)cos2x=cos2x
可求得
⎩⎨⎧C1′(x)=0cos2xsin2x2cos2x/cos2x−2sin2xsin2x2cos2x=−2cos22x+2sin22xsin2xcos2x=−41sin4xC2′(x)=cos2x−2sin2x0cos2x/cos2x−2sin2xsin2x2cos2x=2cos22x+2sin22xcos22x=41(cos4x+1)
于是
{C1(x)=161cos4xC2(x)=41x+161sin4x
所以特解为
y∗=C1(x)y1+C2(x)y2=161cos4xcos2x+(41x+161sin4x)sin2x=161(cos4xcos2x+sin4xsin2x)+41xsin2x=161cos2x+41xsin2x
由于方程的通解为
y=(C1+161)cos2x+C2sin2x+41xsin2x=C3cos2x+C2sin2x+41xsin2x
所以特解应为
y∗=41xsin2x
【例 4】求解微分方程 y′′−2y′+y=xex
【解】先求对应齐次通解:y=C1ex+C2xex,所以 y1=ex,y2=xex,解方程组
{C1′(x)ex+C2′(x)xex=0C1′(x)ex+C2′(x)(x+1)ex=xex
可求得
⎩⎨⎧C1′(x)=0xexxex(x+1)ex/exexxex(x+1)ex=e2x−x2e2x=−x2C2′(x)=exex0xex/exexxex(x+1)ex=e2xxe2x=x
于是
{C1(x)=−31x3C2(x)=21x2
所以特解为
y∗=C1(x)y1+C2(x)y2=−31x3⋅ex+21x2⋅xex=61x3ex