常系数微分方程的通解
四阶常系数齐次微分方程通解方程
四阶常系数齐次微分方程通解方程四阶常系数齐次微分方程通解方程引言四阶常系数齐次微分方程是微积分课程中的重要内容之一，它在工程、物理、数学等多个领域都有广泛的应用。
本文将从介绍四阶常系数齐次微分方程的基本概念开始，逐步深入探讨其通解方程及其应用。
一、四阶常系数齐次微分方程基本概念在微积分领域中，四阶常系数齐次微分方程可以用以下一般形式表示：\[a_4y^{(4)}+a_3y^{(3)}+a_2y^{(2)}+a_1y'+a_0y=0\]其中，\(a_4, a_3, a_2, a_1, a_0\)为常数，\(y^{(4)}, y^{(3)}, y^{(2)},y', y\)分别表示函数y的四阶导数、三阶导数、二阶导数、一阶导数和函数自身。
二、通解方程的求解针对上述的四阶常系数齐次微分方程，我们可以通过特征方程的求解来得到其通解方程。
特征方程的一般形式为：\[a_4r^4+a_3r^3+a_2r^2+a_1r+a_0=0\]通过解特征方程得到的根的个数和情况，我们可以分别得到不同的通解形式。
具体来说，如果特征方程有四个不同的实根\(r_1, r_2, r_3,r_4\)，那么通解方程为：\[y=C_1e^{r_1x}+C_2e^{r_2x}+C_3e^{r_3x}+C_4e^{r_4x}\]其中\(C_1, C_2, C_3, C_4\)为待定系数。
如果特征方程有两对共轭复根\(α±βi, γ±δi\)，那么通解方程为：\[y=e^{αx}(C_1cosβx+C_2sinβx)+e^{γx}(C_3cosδx+C_4sinδx)\]通过以上的通解方程形式，我们可以看到四阶常系数齐次微分方程的通解具有很高的灵活性和多样性，这也为其在实际问题中的应用提供了方便。
三、四阶常系数齐次微分方程的应用举例四阶常系数齐次微分方程在物理学和工程学中有着广泛的应用。
振动问题中的自由振动系统可以建立四阶常系数齐次微分方程模型。
三阶常系数齐次线性微分方程通解结构
三阶常系数齐次线性微分方程通解结构三阶常系数齐次线性微分方程是指形如$ay+by+cy+dy=0$的三阶常系数齐次线性微分方程，其中a，b，c，d均为常数。
因此，三阶常系数齐次线性微分方程又称为三阶常系数线性普通微分方程，是初等微积分学中较为重要的一类微分方程。
二、定理假设 y = y(x)为$ay+by+cy+dy=0$的通解，则满足下列条件：（1）若 $b^2-3ac>0$，则存在常数$C_1、C_2、C_3$，使得通解可以表示为$$y=C_1e^{lambda_1x}+C_2e^{lambda_2x}+C_3e^{lambda_3x}$$ 其中$lambda_1、lambda_2、lambda_3$分别为$$lambda_1= frac{-b-sqrt{b^2-3ac}}{3a}，lambda_2=frac{-b+frac{sqrt{3}}{2}isqrt{4ac-b^2}}{3a}，lambda_3=frac{-b-frac{sqrt{3}}{2}isqrt{4ac-b^2}}{3a}$$（2）若$b^2-3ac=0$，则存在常数$C_1、C_2、C_3$，使得通解可以表示为$$y=C_1x^3+C_2x^2+C_3x+C_4$$（3）若$b^2-3ac<0$，则存在常数$C_1、C_2、C_3$，使得通解可以表示为$$y=C_1cos(lambda_1x)+C_2sin(lambda_1x)+C_3cos(lambda_2x)+C_4sin(lambda_2x)$$其中$lambda_1、lambda_2$分别为$$lambda_1=-frac{b}{3a}+frac{sqrt{3}}{3a}sqrt{3ac-b^2}，lambda_2=-frac{b}{3a}-frac{sqrt{3}}{3a}sqrt{3ac-b^2}$$三、公式从上述定理中可以看出，三阶常系数齐次线性微分方程的通解可以分为三类：（1）$b^2-3ac>0$的情况：$$y=C_1e^{lambda_1x}+C_2e^{lambda_2x}+C_3e^{lambda_3x}$$ （2）$b^2-3ac=0$的情况：$$y=C_1x^3+C_2x^2+C_3x+C_4$$（3）$b^2-3ac<0$的情况：$$y=C_1cos(lambda_1x)+C_2sin(lambda_1x)+C_3cos(lambda_2x)+C _4sin(lambda_2x)$$四、推导（1）$b^2-3ac>0$的情况：两边同时乘以$e^{-lambda_1x}，e^{-lambda_2x}，e^{-lambda_3x}$，得到$$e^{-lambda_1x}(alambda_1^3y+blambda_1^2y+clambda_1y+dy)=e ^{-lambda_2x}(alambda_2^3y+blambda_2^2y+clambda_2y+dy)=e^{-lambda_3x}(alambda_3^3y+blambda_3^2y+clambda_3y+dy)=0$$ 即$$(alambda_1^3+blambda_1^2+clambda_1+d)e^{-lambda_1x}y+(bla mbda_1^2+2clambda_1+d)e^{-lambda_1x}y+(clambda_1+d)e^{-lamb da_1x}y+(d)e^{-lambda_1x}y=0$$令$e^{-lambda_1x}y=Y$，$e^{-lambda_1x}y=Y’$，$e^{-lambda_1x}y=Y’’$，$e^{-lambda_1x}y=Y’’’$得到一阶齐次线性微分方程的一般解为$y=e^{lambda_1x}(C_1+C_2x+C_3x^2+C_4x^3)$可知，设$C_1=C_2=C_3=0$，有特解$y_p=C_4e^{lambda_1x}x^3$ 所以，原方程的通解为$$y=C_1e^{lambda_1x}+C_2e^{lambda_2x}+C_3e^{lambda_3x}+C_4e ^{lambda_1x}x^3$$（2）$b^2-3ac=0$的情况：类似上述推导，原方程的通解为$$y=C_1x^3+C_2x^2+C_3x+C_4$$（3）$b^2-3ac<0$的情况：类似上述推导，原方程的通解为$$y=C_1cos(lambda_1x)+C_2sin(lambda_1x)+C_3cos(lambda_2x)+C _4sin(lambda_2x)$$五、例题例 1：求解$y3y+3yy=0$的通解。
常系数线性微分方程的解法
则
e ，te , ..., t e ，te , ..., t .................. e ，te
m t m t 2 t 2 t
1 t
1 t
k1 1 1 t
e , e , e ,
k2 1 2 t
, ..., t
km 1 m t
为L[ x] 0的一个基本解组。
dnx d n 1 x a1 ( t ) n1 n dt dt dx an1 ( t ) an ( t ) x u( t ) dt
和
dnx d n 1 x a1 ( t ) n1 n dt dt dx an 1 ( t ) a n ( t ) x v ( t ) dt
K ( K 1) ( K n 1) a1 K ( K 1) ( K n 2) an 0
例
求欧拉方程
x 3 y x 2 y 4 xy 0 的通解．
解 作变量变换
x e t 或 t ln x,
原方程的特征方程为
k 2k 3k 0,
2
作业 : P164 2(3),(5),(7);3(2),(4);4(2)
' n n 1
及2l ( k1 + 2l n)个互异复根
i 1 1 i 1 , i 1 1 i 1 , ..., il l i l , il l i l
重次分别为s1 , s2 ,..., sr .显然
k1 k2 ... kr 2( s1 s2 ... sr ) n, 则
练 习 题
求下列欧拉方程的通解 ： 1．x y xy y 0;
2
微分方程求通解
微分方程求通解
1、微分方程的通解公式：y=y1+y* = 1/2 + ae^(-x) +be^(-2x)，其中：a、b由初始条件确定，例：y''+3y'+2y = 1 ，其对应的齐次方程的特征方程为s^2+3s+2=0 ，因式分(s+1)(s+2)=0，两个根为：s1=-1 s2=-2。
2、y''+py'+qy=0，等式右边为零，为二阶常系数齐次线性方程；y''+py'+qy=f（x），等式右边为一个函数式，
为二阶常系数非齐次线性方程。
可见，后一个方程可以看为前一个方程添加了一个约束条件。
对于第一个微分方程，目标为求出y的表达式。
求解过程在课本中分门别类写得很清楚，由此得到的解，称为【通解】，
3、通解代表着这是解的集合。
我们中学就知道，M个变量，需要M个个约束条件才能全部解出。
例如，解三元一次方程组，需要三个方程。
由此，在变量相同的条件下，多一个约束条件f（y），就可以多确定一个解，此解就称为【特解】。
常系数微分方程的通解
常系数微分方程的通解常系数微分方程是微积分中的重要内容，常见于物理、工程、经济等领域的建模和分析中。
常系数微分方程的通解是指一类形式相同的微分方程的解的集合，它能够描述该类方程的所有解。
本文将对常系数微分方程的通解进行详细介绍和讨论。
常系数微分方程是指方程中的系数是常数而非变量的微分方程。
常系数微分方程的一般形式为：\[a_ny^{(n)} + a_{n-1}y^{(n-1)} + \cdots + a_1y' + a_0y = 0\]其中，\(y^{(n)}\)表示y的n阶导数，\(a_n, a_{n-1}, \cdots, a_1, a_0\)为常数。
常系数微分方程的通解可以通过特征方程的根来确定。
特征方程是将方程中的导数符号化，然后去掉常数项后得到的代数方程。
对于n阶常系数微分方程，其特征方程为：\[a_n\lambda^n + a_{n-1}\lambda^{n-1} + \cdots + a_1\lambda + a_0 = 0\]其中，\(\lambda\)为特征方程的根。
根据特征方程的根的不同情况，常系数微分方程的通解可以分为三种情况：单根情况、重根情况和复根情况。
考虑单根情况。
如果特征方程的根是不相等的实数\(\lambda_1, \lambda_2, \cdots, \lambda_n\)，那么常系数微分方程的通解形式为：\[y = C_1e^{\lambda_1x} + C_2e^{\lambda_2x} + \cdots + C_ne^{\lambda_nx}\]其中，\(C_1, C_2, \cdots, C_n\)为任意常数。
考虑重根情况。
如果特征方程的根是重根\(\lambda\)，那么常系数微分方程的通解形式为：\[y = (C_1 + C_2x)e^{\lambda x} + C_3e^{\lambda_2x} + \cdots + C_ne^{\lambda_nx}\]其中，\(C_1, C_2, \cdots, C_n\)为任意常数。
常系数线性微分方程
常系数线性微分方程线性微分方程是微分方程中的一种重要类型，它在数学、物理、工程等领域中有着广泛的应用。
本文将从定义、特征、解法和应用等方面对线性微分方程进行详细介绍。
一、线性微分方程的定义线性微分方程可以表示为dy/dx + p(x)y = q(x)，其中p(x)和q(x)是已知函数，y是未知函数。
它的一般形式为dy/dx + p(x)y = g(x)。
二、线性微分方程的特征线性微分方程具有以下特征：1. 线性：方程中未知函数y及其导数的次数均为1次，且没有幂函数、指数函数和对数函数等非线性项。
2. 可分离变量：可以通过移项将方程变形为dy/y = -p(x)dx + q(x)dx，从而可进行变量分离，简化求解过程。
3. 叠加原理：线性微分方程的解具有叠加性，即一般解等于相应齐次线性微分方程的解与非齐次线性微分方程的特解之和。
三、线性微分方程的解法线性微分方程的求解可以采用常系数法、变易法、特解法等多种方法，下面以常系数线性微分方程为例进行说明。
1. 常系数线性微分方程的一般形式为dy/dx + ay = b，其中a和b为常数。
常系数线性微分方程的解具有通解和特解两种形式。
2. 首先求解齐次线性微分方程dy/dx + ay = 0。
令y = e^(mx)，代入方程得d(e^(mx))/dx + ae^(mx) = 0，化简得me^(mx) + ae^(mx) = 0，整理可得(m+a)e^(mx) = 0。
由于e^(mx)恒大于0，所以(m+a) = 0，即m = -a。
因此，齐次线性微分方程的通解为y = c*e^(-ax)，其中c为常数。
3. 再求解非齐次线性微分方程dy/dx + ay = b。
根据线性微分方程叠加原理，非齐次线性微分方程的一般解等于齐次线性微分方程的通解与非齐次线性微分方程的特解之和。
4. 特解的求解可以采用常数变易法，假设特解为y = C，代入原方程得C + aC = b，解得C = b/(1+a)。
常系数线性微分方程1
例 写出下列方程一个特解的待定形式 (1) y y xex cos x (2) y 4y x sin 2x (3) y 2 y 2 y xex cos x
例 求解方程 y y 2cosx
例 求解方程 y 2 y 2 y ex sin x
例 求解方程 x2 y xy y 3x2
问题和猜想（高阶Euler方程的解法？）
用变量代换 x et
xn y(n) ?
伟大的欧拉（Leonhard Euler，1707～1783 ）
➢ 数学天才：约翰·伯努利 指引 13岁进巴塞尔大学
➢ 著作辉煌：涉及几乎每一数学领域， 886本书和论文 ，汇成100巨册
Chap6―5
常系数线性微分方程
6.5.1 常系数线性齐次方程
二阶方程形式
y py qy 0
其中 P,q — 常数
令 y er x , 得到 r 2 pr q 0
特征方程，这方程的两个根称为 特征根
情况讨论
(1) 特征方程有相异实根 r1,r2
基本解组：er1x , er2x
(2) 特征方程有相同实根 r
D d
dt
xy Dy
x2 y D(D 1) y
方程化为 [D(D 1) pD q]y 0
（注意：正确理解符号的含义）
特征方程 r(r 1) pr q 0
求出以t为自变量的方程的解 原方程的解
例 求解方程 x2 y－xy y 0
例 求解方程 x2 y 3xy 5y 0
基本解组： erx , liouville公式 xerx
(3) 特征方程有共轭复根 i 基本解组： e , e (i ) x (i )x
微分方程 通解
微分方程通解
对于一阶微分方程，其一般形式为y' = f(x, y)，其中f(x, y) 是已知的函数。
对于一阶线性微分方程，其形式为dy/dx + p(x)y = q(x)，其中p(x) 和q(x) 是已知函数。
对于一阶常系数线性微分方程，其形式为dy/dx + py = q，其中p 和q 是常数。
对于二阶常系数线性微分方程，其形式为d^2y/dx^2 + py' + qy = r，其中p、q 和r 是常数。
对于这些类型的微分方程，可以使用不同的方法来求解通解，例如分离变量法、常数变易法、积分因子法等。
对于非线性微分方程，求解通解通常比较困难，可能需要使用数值方法或近似方法。
需要注意的是，对于一些特殊的微分方程，可能存在一些特殊的解法，例如使用特殊函数（如贝塞尔函数、勒让德函数等）或使用积分变换（如傅里叶变换、拉普拉斯变换等）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Part1
常系数齐次微分方程 型方程通解 :
Step1
求解特征值方程 ，解得r值；
Step2
对比特征值写出每个特征值所对应的解集：
1r是单实根（同一个实数对应1个r值）：
（如 中r的解为 ，其中 为特征方程的两个单实根。）
②r是K重实根（同一个实数对应k个r值）：
（如 中r的解为 ，其中 为特征方程的三个三重实根。）
③r是单复根（同一个复数对应1个r值）， :
④r是k重复根，（同一个复数对应k个r值）， :
Step3
写出 型方程通解
设
Part2
常系数非齐次微分方程 型方程通解
其中， 是x的m次多项式，包含m+1个常系数； 是x的n次多项式，包含n+1个常系数。
Step1
观察方程 的结构，得到 的值，写出该方程的特解的系数，其中，而 是x的d次多项式，包含d+1个常系数， ，
的取值如下：
1如果 且 分别为 特征方程的：
1、 不是特征方程的实根，则k=0