§6.3(4) 二阶常系数非齐次线性微分方程
一、基本形式与解法
y′′+py′+qy=f(x)(p,q 为常数)
解法:通解 y=yc+yp(齐通 + 非齐特),用待定系数法求 yp。
二、f(x)=Pm(x)eλx 型特解公式
设 yp=xkQm(x)eλx
其中 Qm(x) 为 m 次待定多项式,k = λ 作为特征根的重数:
| k | λ 与特征根的关系 | yp 形式 |
|---|
| 0 | λ 不是特征根 | Qm(x)eλx |
| 1 | λ 是单根 | x⋅Qm(x)eλx |
| 2 | λ 是重根 | x2⋅Qm(x)eλx |
推导原理
将 yp=Q(x)eλx 代入方程得:
Q′′+(2λ+p)Q′+(λ2+pλ+q)Q=Pm(x)
- λ2+pλ+q=0(非特征根)→ 直接设 m 次多项式
- λ2+pλ+q=0 但 2λ+p=0(单根)→ 需乘 x
- λ2+pλ+q=0 且 2λ+p=0(重根)→ 需乘 x2
三、常见 f(x) 形式的特解设表
| f(x) 形式 | yp 待定形式 | 条件 |
|---|
| Pm(x) | xkQm(x) | k = 0是否为特征根的重数 |
| Ceλx | Axkeλx | k = λ 作为特征根的重数 |
| Pm(x)eλx | xkQm(x)eλx | 同上 |
| eαxcosβx | xkeαx(Acosβx+Bsinβx) | k = α+iβ 作为特征根的重数 |
| eαxsinβx | 同上 | 同上 |
四、典型例题
例1:多项式型(λ=0)
y′′−5y′+6y=6x+1
特征根 r1=2,r2=3,λ=0 不是特征根 → k=0,
设 yp=ax+b,代入解得 a=1,b=1 → yp=x+1。
例2:指数型(λ 为特征根)
y′′−5y′+6y=xe2x
λ=2 是单根 → k=1,
设 yp=x(ax+b)e2x,代入待定系数求解。
例3:重根型
y′′−4y′+4y=xe2x
特征根 r1=r2=2(重根),λ=2 是重根 → k=2,
设 yp=x2(ax+b)e2x。
例4:三角函数型
y′′+y=sinx
特征根 r=±i,α+iβ=i 是特征根 → k=1,
设 yp=x(Acosx+Bsinx)。
五、欧拉方程 (Euler-Cauchy)
x2y′′+pxy′+qy=0(p,q 常数)
解法:令 y=xm,得辅助(特征)方程:
m(m−1)+pm+q=0
| 辅助方程根 | 通解 |
|---|
| 两不等实根 m1=m2 | y=C1xm1+C2xm2 |
| 重根 m1=m2 | y=(C1+C2lnx)xm1 |
| 共轭虚根 m=α±iβ | y=xα[C1cos(βlnx)+C2sin(βlnx)] |
例:x2y′′+xy′−4y=0,
辅助方程 m(m−1)+m−4=0 → m2−4=0 → m=±2,
通解 y=C1x2+C2x−2。
六、解题流程
1. 写特征方程 r²+pr+q=0,求特征根
2. 写齐次通解 y_c
3. 看 f(x) 形式 → 设 y_p 含待定系数
4. 判断 λ (或 α+iβ) 与特征根关系 → 确定 x^k
5. 代入原方程,比较系数,求得 y_p
6. 通解 y = y_c + y_p