高数:第七章(同济大学第七版)

微分方程

一、微分方程的基本概念

1.凡表示未知函数,未知函数的导数与自变量之间关系的方程叫做微分方程。
2.最高阶导数的阶数叫做微分方程的阶。
3.通解:微分方程的解中含有任意常数,且常数个数与方程阶数相同。



二、可分离变量微分方程
1.可分离变量微分方程:含x,y的项,可以分别写在等号两侧,然后进行反导。



三、齐次方程
1.一阶微分方程: d y d x \frac{dy}{dx} dxdy=φ( y x \frac{y}{x} xy),或者可化为这种形式的方程称为齐次方程。
设u= y x \frac{y}{x} xy,所以说y=ux, d y d x \frac{dy}{dx} dxdy=u+x( d u d x \frac{du}{dx} dxdu)
带入原函数可计算
最后再将u用x,y替换回来。



四、一阶线性微分方程
1.一阶线性微分方程: d y d x \frac{dy}{dx} dxdy+ P x P_x Pxy= Q x Q_x Qx
Q x Q_x Qx=0,则方程为齐次的,反之为非齐次的。
2.非齐次方程求解:
   ①先求出对应齐次线性方程的解。
   ②然后设常数项C为 u x u_x ux
   ③然后将u代入y,求出y’。
   ④将y与y’代入题方程中变换得出u。
   ⑤再将u代入齐次方程解中得出非其次方程解。



五、可降阶的高阶微分方程
1.y(n)=f(x)型:
此类型没什么特殊的,一阶一阶求积分即可。

2.y’’=f(x,y’)型(不含y):
设y’=P
∴ \therefore y’’=P’
方程变成了一阶微分方程,求解,再进行替换即可。

3.y’’=f(y,y’)型(不含x):
设y’=P
∴ \therefore y’’=P d P d y \frac{dP}{dy} dydP
代入原方程,积分…即可



六、高阶线性微分方程
二阶齐次线性方程:y’’+P(x)y’+Q(x)y=0
定理一:如果函数 y 1 y_1 y1(x)与 y 2 y_2 y2(x)是该方程的解,那么
    y= C 1 C_1 C1 y 1 y_1 y1(x)+ C 2 C_2 C2 y 2 y_2 y2(x)
    也是其解。
    
定理二:如果 y 1 y_1 y1(x)与 y 2 y_2 y2(x)是方程的两个线性无关的特解,那么
    y= C 1 C_1 C1 y 1 y_1 y1(x)+ C 2 C_2 C2 y 2 y_2 y2(x)
    也是方程通解。
    
定理三:设y*是二阶非齐次线性方程y’’+P(x)y’+Q(x)y=f(x)的一个特解
   Y(x)是对应齐次方程的通解,则y=Y(x)+y*(x)
   也是二阶非齐次线性方程的通解。
   
定理四:设非其次线性方程右端f(x)是两个函数之和,即
   y’’+P(x)y’+Q(x)y= f 1 f_1 f1(x)+ f 2 f_2 f2(x)
   而 y 1 y_1 y1*(x)与 y 2 y_2 y2*(x)分别是方程
   y’’+P(x)y’+Q(x)y= f 1 f_1 f1(x)与
   y’’+P(x)y’+Q(x)y= f 2 f_2 f2(x)的特解
   则 y 1 y_1 y1*(x)+ y 2 y_2 y2*(x)是原方程的特解



七、常系数齐次线性微分方程
1.对应y=0,y’=r,y’’=r2

特征方程r2+pr+q=0的两根r1,r2 通解
不等实根 y= c 1 c_1 c1 e(r1x)+ c 2 c_2 c2 er2x
相等实根 y=( c 1 c_1 c1+ c 2 c_2 c2x)er1x
共轭复根r1,2=α±βi y=eαx( c 1 c_1 c1cosβx+ c 2 c_2 c2sinβx)
特征方程的根 微分方程通解中的对应项
单实根r 给出一项:Cerx
一对单复根r1,2=α±βi 给出两项:eαx( C 1 C_1 C1cosβ+ C 2 C_2 C2sinβ)
k重实根r 给出k项:erx( C 1 C_1 C1+ C 2 C_2 C2x+…+ C k C_k Ckxk-1)
一对k重实根r1,2=α±βi 给出2k项:eαx[( C 1 C_1 C1+ C 2 C_2 C2x+…+ C k C_k Ckxk-1)]cosβx+( D 1 D_1 D1+ D 2 D_2 D2x+…+ D k D_k Dkxk-1sinβx)


第八章:常系数非齐次线性微分方程
一般形式:y’’+py’+qy=f(x)
1.f(x)=eλx P x P_x Px(x)型:

(i)如果λ不是特征方程r2+pr+q=0的根,即λ2+pr+q≠0,则设 R m R_m Rm(x)= b 0 b_0 b0 xm + b 1 b_1 b1 xm-1 + … + b m b_m bm − _- 1 _1 1 x + b m b_m bm
 
  (ii)如果λ是特征方程得单根,即λ2+pr+q=0,但2λ+p≠0,则设R(x)=x R m R_m Rm(x) [用同样的方法确定 R m R_m Rm(x)的系数 b i b_i bi]
  
  (iii)如果λ是特征方程r2+pr+q=0的重根,即λ2+pr+q≠0,且2λ+p=0 ,则设R(x)= x 2 x^2 x2 R m R_m Rm(x) [用同样的方法确定 R m R_m Rm(x)的系数 b i b_i bi]

综上:
  如果f(x)=eλx P x P_x Px(x),那么二阶常系数非齐次线性微分方程具有形如:y*= x k x^k xk R m ( x ) R_m(x) Rm(x)eλx,其中k按是不是特征方程的解取值依次为0,1,2.


2. f(x)=eλx[ P l P_l Pl(x) cos ⁡ ω \cos\omega cosωx+ Q n Q_n Qn(x) sin ⁡ ω \sin\omega sinωx]
 直接结论:
  设特解为:y*=xKeλx[ R m 1 R_m^1 Rm1(x) cos ⁡ ω \cos\omega cosωx+ R m 2 R_m^2 Rm2(x) sin ⁡ ω \sin\omega sinωx]
  · 其中 R m 1 R_m^1 Rm1(x), R m 2 R_m^2 Rm2(x)是m次多项式( R m R_m Rm(x)= b 0 b_0 b0 xm + b 1 b_1 b1 xm-1 + … + b m b_m bm − _- 1 _1 1 x + b m b_m bm),m=max { l,n }.【l,n为三角函数前所跟x的多少次方】
  · k按λ+ωi(或λ-ωi)不是特征方程的根,是特征方程的根依次取0或1
  
求特解步骤:
①写出对应齐次方程。
②变成特征方程。
③计算λ或 { λ+ωi (λ-ωi) }是不是特征方程的根,设出特解y*。
④计算出y’,y’'代入题中原方程。
⑤待定系数法求出未知数,得出微分方程特解。
⑥求通解的话,再加上对应齐次方程通解即可




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