一阶常微分方程的解法
一阶常微分方程的解法
一阶常微分方程的解法一阶常微分方程是微积分中的一种基础概念。
它描述了一个未知函数及其导数之间的关系。
求解一阶常微分方程是微积分研究的重要内容之一，它在科学、工程等领域中具有广泛的应用。
本文将介绍几种解一阶常微分方程的常用方法。
1. 分离变量法分离变量法是求解一阶常微分方程最常用的方法之一。
通过将未知函数的变量和导数分离到方程的两侧，然后进行变量的求解即可得到问题的解。
例如，对于形式为dy/dx = f(x)g(y)的微分方程，可以将dy/g(y) =f(x)dx进行变量的分离，然后对两侧进行积分，得到∫dy/g(y) = ∫f(x)dx，进一步求解得到y的表达式。
2. 齐次方程法齐次方程是指形如dy/dx = f(y/x)的一阶常微分方程。
对于这种类型的微分方程，可以通过变量的代换来将其转化为分离变量法适用的形式。
例如，令u = y/x，对原方程进行偏导数变换，可得du/dx = (dy/dx - u)/x，进而得到线性微分方程du/dx + u/x = f(u)。
对该线性微分方程应用分离变量法即可求解得到u(x)的表达式，再将u(x)代回原来的变量即可获得y(x)的解析表达式。
3. 一阶线性微分方程法一阶线性微分方程是指形如dy/dx + P(x)y = Q(x)的微分方程。
其中P(x)和Q(x)是已知函数。
对于这种类型的微分方程，可以通过一阶线性微分方程的解析公式进行求解。
一阶线性微分方程的解析公式为y = e^(-∫P(x)dx)∫[e^(∫P(x)dx)Q(x)]dx + Ce^(-∫P(x)dx)，其中C为任意常数。
4. 变量可分离线性微分方程法变量可分离线性微分方程是指形如dy/dx = f(x)/g(y)的微分方程。
对于这种类型的微分方程，可以通过变量的移项和对两侧的积分进行求解。
例如，对于形如dy/dx = x/y的微分方程，可以将其转化为xydy = y^2dx，然后进行两侧的积分，得到∫xydy = ∫y^2dx，进一步求解即可得到y的表达式。
一阶常微分方程的求解
一阶常微分方程的求解微积分是数学中非常重要的一个分支，它研究的是函数的极限、导数、积分以及微分方程等。
在微分方程的研究中，一阶常微分方程是最基本也是最常见的类型。
本文将介绍一阶常微分方程的求解方法。
一、分离变量法分离变量法是一种常用的求解一阶常微分方程的方法。
其思想是将微分方程中的变量分开，然后分别对两边进行积分，最终得到解析解。
例如，考虑一阶常微分方程形式为dy/dx=f(x)g(y)，其中f(x)和g(y)分别是关于x和y的函数，我们希望求解y的表达式。
首先，我们将方程重新排列为dy/g(y)=f(x)dx，然后对两边同时进行积分，得到∫dy/g(y)=∫f(x)dx。
接下来，我们可以通过求解这两个积分来得到问题的解析解。
二、常数变易法当一阶常微分方程形式为dy/dx=f(x,y)时，常数变易法是一种常用的求解方法。
其基本思想是假设y的解可表示为y=uv，其中u和v都是关于x的函数。
通过对y=uv进行求导，将其代入原微分方程，可以得到一个新的方程，其中v和其导数可以互相约去。
然后，我们可以求解新方程得到v的表达式，再将其代入y=uv中，即可得到问题的解析解。
三、齐次微分方程法齐次微分方程是指方程右端项为0的一阶常微分方程。
对于形如dy/dx=f(y/x)的齐次微分方程，我们可以引入一个新的变量v=y/x，通过对v进行求导，将其代入原微分方程，可以得到一个只含有v的方程。
然后，我们可以通过对新方程进行积分求解v的表达式，再将其代入v=y/x中，即可得到问题的解析解。
四、一阶线性微分方程法一阶线性微分方程是指方程可以写成dy/dx+p(x)y=q(x)的形式。
对于这种类型的微分方程，我们可以使用一阶线性微分方程的解法来求解。
具体来说，我们可以通过乘以一个积分因子，将其变为一个恰当微分方程，然后再进行求解。
综上所述，一阶常微分方程的求解可以通过分离变量法、常数变易法、齐次微分方程法和一阶线性微分方程法等方法进行。
常微分方程基本公式
常微分方程基本公式一、一阶常微分方程。
1. 可分离变量方程。
- 形式：(dy)/(dx)=f(x)g(y)- 解法：将方程变形为(dy)/(g(y)) = f(x)dx，然后两边分别积分∫(dy)/(g(y))=∫f(x)dx + C，其中C为任意常数。
2. 齐次方程。
- 形式：(dy)/(dx)=F((y)/(x))- 解法：令u = (y)/(x)，即y = ux，则(dy)/(dx)=u + x(du)/(dx)。
原方程化为u + x(du)/(dx)=F(u)，这是一个可分离变量方程，可按照可分离变量方程的方法求解。
3. 一阶线性微分方程。
- 形式：(dy)/(dx)+P(x)y = Q(x)- 通解公式：y = e^-∫ P(x)dx(∫ Q(x)e^∫ P(x)dxdx + C)二、二阶常系数线性微分方程。
1. 齐次方程。
- 方程形式：y''+py'+qy = 0（其中p,q为常数）- 特征方程：r^2+pr + q=0- 当特征方程有两个不同实根r_1,r_2时，通解为y = C_1e^r_1x+C_2e^r_2x；- 当特征方程有重根r时，通解为y=(C_1+C_2x)e^rx；- 当特征方程有一对共轭复根r_1,2=α±β i时，通解为y = e^α x(C_1cosβ x + C_2sinβ x)。
2. 非齐次方程。
- 方程形式：y''+py'+qy = f(x)- 通解结构：y = y_h+y_p，其中y_h是对应的齐次方程的通解，y_p是一个特解。
- 当f(x)=P_m(x)e^λ x（P_m(x)是m次多项式）时，特解y_p的形式：- 若λ不是特征方程的根，则y_p=Q_m(x)e^λ x（Q_m(x)是m次待定多项式）；- 若λ是特征方程的单根，则y_p=xQ_m(x)e^λ x；- 若λ是特征方程的重根，则y_p=x^2Q_m(x)e^λ x。
一阶常微分方程
一阶常微分方程在数学领域，微分方程是一种描述变量及其变化率之间关系的方程。
一阶常微分方程是指方程中包含未知函数的一阶导数，并且未知函数只出现一次的微分方程。
本文将详细介绍一阶常微分方程的定义、解法和应用。
一、定义一阶常微分方程可以用以下一般形式表示：dy/dx = f(x, y)其中，y是未知函数，x是独立变量，f是已知函数，称为方程的右端函数。
二、解法对于一阶常微分方程，常见的解法有分离变量法和常数变易法。
1. 分离变量法分离变量法的思想是将方程中的变量分开，使得其中一个变量只与自身有关，然后积分求解。
步骤如下：(1) 将微分方程写成dy/dx = g(x)h(y)的形式，其中g(x)和h(y)分别表示x和y的函数。
(2) 将方程两边同时乘以h(y)，并将包含y的项移到方程的一边，包含x的项移到另一边。
(3) 对两边同时积分，并加上常数C，得到方程的通解。
(4) 若已知初始条件y(x0) = y0，将初始条件代入通解中，求解得到特解。
2. 常数变易法常数变易法是通过对方程中的未知函数引入一个待定的参数，然后通过求解该参数的值来得到方程的解。
步骤如下：(1) 将微分方程写成dy/dx + p(x)y = q(x)的形式，其中p(x)和q(x)为已知函数。
(2) 设y = u(x)v(x)，其中u(x)为待定的函数，v(x)为积分因子，通常取v(x) = exp(∫p(x)dx)。
(3) 将上述表达式代入原方程，得到关于u(x)和v(x)的方程。
(4) 解关于u(x)的方程，并代入v(x)求得y的通解。
三、应用一阶常微分方程在自然科学和工程领域有广泛的应用。
下面介绍其中几个常见的应用：1. 经济学经济学中常常用微分方程来描述经济系统的变化。
例如，人口增长、资源利用和市场供求关系等都可以用一阶常微分方程来模拟和预测。
2. 物理学物理学中常用微分方程来描述物体的运动和变化。
例如，牛顿第二定律F = ma可以写成二阶微分方程形式，而一阶微分方程则可以描述电路中的电荷、电流等量的变化。
一阶常微分方程的解法
一阶常微分方程的解法微积分是数学的重要分支之一，常微分方程是微积分中的重要内容。
在微积分中，我们经常遇到一阶常微分方程的求解问题。
本文将介绍一阶常微分方程的解法及其应用。
1. 分离变量法一阶常微分方程常常可以通过分离变量的方法求解。
具体步骤如下：（1）将方程中的未知函数和其导数分离到方程的两侧；（2）对方程两边同时积分，得到未知函数的通解；（3）根据方程的边界条件，确定通解中的常数。
例如，考虑一阶常微分方程 dy/dx = x^2。
我们可以将方程重写为 dy = x^2dx，并对其两边同时积分。
通过求不定积分，我们得到 y = x^3/3+ C，其中 C 是常数。
这样我们就求得了方程的通解。
2. 齐次方程的解法对于一些特殊的一阶常微分方程，我们可以使用齐次方程的解法。
如果方程可以重写为 dy/dx = f(y/x)，其中 f 是一个只与 y/x 相关的函数，那么我们可以通过变量代换 y = vx，化简方程并求解得到原方程的解。
例如，考虑一阶常微分方程 y' = y/x。
我们可以通过变量代换 y = vx，其中 v 是关于 x 的函数。
将代换后的方程进行化简，得到 xdv/dx + v = v，整理后得到xdv/dx = 0。
显然，这是一个齐次方程，其解为v = C1，其中 C1 是常数。
将 v 代回原方程中，得到 y = C1x，即为方程的解。
3. 一阶线性方程的解法一阶线性方程是一种常见的一阶常微分方程形式，可以写作 dy/dx+ P(x)y = Q(x)，其中 P(x) 和 Q(x) 是已知函数。
一阶线性方程的解法如下：（1）求出方程的积分因子μ(x) = e^(∫P(x)dx)；（2）将方程两侧同时乘以积分因子μ(x)；（3）对方程两侧同时积分，得到y = (∫Q(x)μ(x)dx + C)/μ(x)，其中C 是常数。
例如，考虑一阶线性方程 dy/dx + 2xy = x。
首先，我们求出方程的积分因子μ(x) = e^(∫2xdx) = e^(x^2)。
一阶常微分方程解法总结
一阶常微分方程解法总结1.可分离变量法：可分离变量法适用于能够将微分方程分离成自变量和因变量的乘积形式的情况。
具体步骤如下：（1）将方程两边分离变量；（2）对分离后的变量进行积分，得到两边的原函数；（3）解得的原函数通常包含一个未知常数c；（4）如果已知初始条件，代入原函数求解常数c。
2.齐次方程法：齐次方程法适用于能够将微分方程转化成齐次方程的情况。
具体步骤如下：（1）将方程化为齐次形式，即将自变量和因变量分别除以一些函数；（2）引入新的未知函数y/x=u，并对其求导；（3）将方程转化为u的微分方程，通常是可分离变量方程；（4）解出u的方程后，再回代u，得到原方程的解。
3.线性方程法：线性方程法适用于形如y'+p(x)y=q(x)的一阶常微分方程，其中p(x)和q(x)是已知函数。
具体步骤如下：（1）确定常系数线性微分方程形式，即观察到y'+p(x)y=q(x)形式的方程；（2）找到方程的积分因子，通常是乘以一个指数函数，使得方程变得可积分；（3）将方程两边乘以积分因子，并利用乘积法则进行变换；（4）对两边进行积分，并解出原方程的解。
4.变量代换法：变量代换法是通过引入新的未知函数来将微分方程转化为更简单的形式。
具体步骤如下：（1）通过变量代换，将微分方程转化为新的未知函数和新的自变量；（2）求出新的微分方程的解；（3）将新的解代回原来的未知函数和自变量，得到原方程的解。
5.恰当微分方程法：恰当微分方程法适用于能够通过乘以适当的积分因子使得微分方程成为恰当微分方程的情况。
具体步骤如下：（1）判断初始微分方程是否是恰当微分方程；（2）计算方程的积分因子；（3）乘方程的积分因子，并判断是否为恰当微分方程；（4）解恰当微分方程。
以上是一阶常微分方程解法的五种常用方法的总结。
对于不同类型的微分方程，选择合适的解法可以更好地求解方程，但也需要多加练习和实践，熟练掌握方程的转化和求解技巧。
一阶常微分方程解法总结doc
一阶常微分方程解法总结.doc 一阶常微分方程是微分学的基础，也是实际问题中经常遇到的一类方程。
理解并掌握一阶常微分方程的解法对于学习微分学和解决实际问题都具有重要的意义。
本文将总结一阶常微分方程的解法，并举例说明。
一、一阶常微分方程的解法1.变量可分离的微分方程形如dy/dt=f(t)g(y)的微分方程称为可分离变量的微分方程。
这类方程的特点是变量可以分离，通过将方程两边积分，得到y的解。
例：dy/dt=e^(t^2)解：分离变量得：ydt=e^(t^2)dt，积分得：y=0.5e^(t^2)+C。
2.齐次微分方程形如dy/dx=f(y/x)的微分方程称为齐次微分方程。
这类方程的特点是可以通过变量替换化为可分离变量的微分方程，从而求解。
例：dy/dx=(y/x)+1解：令y/x=u，则原方程化为：du/dx=u+1，分离变量得：u dx=dx，积分得：u=x+C，即y=x^2+Cx。
3.一阶线性微分方程形如dy/dt=f(t)g(y)的微分方程称为一阶线性微分方程。
这类方程的特点是可以化为标准形式，通过求解标准形式的解，得到原方程的解。
例：dy/dt=te^(t)解：化为标准形式得：y/dt=te^(t)，令z=y/t，则z’=(y’)t−y/t^2=e^t，积分得：z=e^t+C，即y=t(e^t+C)。
二、总结一阶常微分方程根据其形式和特点，有多种解法。
其中，变量可分离的微分方程可以直接通过分离变量进行求解；齐次微分方程可以通过变量替换化为可分离变量的微分方程进行求解；一阶线性微分方程可以化为标准形式，通过求解标准形式的解得到原方程的解。
这些方法在解决实际问题中具有广泛的应用价值。
在实际应用中，我们需要根据具体的问题和数据选择合适的解法，并对求解结果进行合理的分析和解释。
同时，还需要掌握各种解法的适用范围和局限性，以便在实际应用中做出正确的选择。
一阶常微分方程的解法是微分学的基础知识之一，也是解决实际问题中经常遇到的一类问题。
常微分方程第二章 一阶微分方程的初等解法
du dx 1u2 x
两边积分得: ln u 1 u2 ln x ln c
整理后得 u 1 u2 cx
变量还原得 y 1 ( y )2 cx
x
x
du dx 1u2 x
最后由初始条件 y(1) 0,可定出c 1.
故初值问题的解为 y 1 (x2 1) 2
可2、化d为y 变a量1x 分b1 y离 方c1 法
由对数的定义有
y e p( x)dxc1
y e p( x)dxc1
即
y ec1e p(x)dx ce p(x)dx.
此外y 0也是方程的解,若在上式中充许c 0, 即知y 0也包括在上式中,
故方程的通解为
y ce p(x)dx , c为任常数.
例4
求初值问题
dy dx
y2
c os x的特解.
例：
y y sin x 0
并求满足条件的 y( ) 2 特解。
2
线性微分方程
例：
1、cos x dy y sin x cos2 x dx
二 伯努利(Bernoulli )方程
形如 dy p(x) y Q(x) yn dx
的方程,称为伯努利方程. 这里P(x), Q(x)为x的连续函数 。
故对应齐次方程通解为 y c(x 1)n
y
ce p(x)dx
ce
n dx x 1
c(x
1)n
其次应用常数变易法求非齐线性方程的通解,
令y c(x)( x 1)n为原方程的通解 , 代入得
dc(x) (x 1)n nc(x)(x 1)n1 nc(x)(x 1)n1 ex (x 1)n dx
解的步骤:
10
解方程组aa21xx
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一阶常微分方程的解法摘要：常微分方程是微积分学的重要组成部分，广泛用于具体问题的研究中，在整个数学中占有重要的地位。
本文对一阶常微分方程的解法作了简要的总结，并举例加以分析了变量可分离方程，线性微分方程，积分因子，恰当微分方程，主要归纳了一阶微分方程的初等解法，并以典型例题加以说明。
关键词：变量分离;积分因子;非齐次微分方程;常数变易法Solution of first-order differential equationAbstract: Differential equations, important parts of calculus, are widely used in the research of practical problems, which also play important role in mathematics. The solution of a differential equation is summarized briefly, and illustrates the analysis of variable separable equation, linear differential equation, integral factor, exact differential equation, mainly summarizes the elementary solution of first order differential equations, and the typical examples to illustrate.Keywords: variable separation; integral factor; non-homogeneous differential equation; constant variation method1. 引言一阶常微分方程初等解法,就是把常微分方程的求解问题转化为积分问题, 能用这种方法求解的微分方程称为可积方程. 本文通过对一阶微分方程的初等解法的归纳与总结，以及对变量分离，积分因子，微分方程等各类初等解法的简要分析，同时结合例题把常微分方程的求解问题化为积分问题，进行求解.2. 一般变量分离 2.1 变量可分离方程形如()()dyf xg y dx= （1.1） 或 1122()()()()M x N y dx M x N y dy = （1.2） 的方程，称为变量可分离方程。
分别称（1.1）、（1.2）为显式变量可分离方程和微分形式变量可分离方程[1].(1) 显式变量可分离方程的解法在方程（1.1）中， 若()0g y ≠，（1.1）变形为()()dyf x dxg y =积分得()()dyf x dx Cg y =+⎰⎰ （1.3） 此为（1.1）的解．若()0g y =，0y ∃使0()0g y =，则0y y =也是（1.1）的解． 注：当0y y =不包含于（1.3）时要特别补上解0y y =．例1：求解方程dy dx =．解:当1y ≠±时，方程的通积分为C =+，即arcsin arcsin y x C =+ 即 sin(arcsin )y x C =+.另外，方程还有解1y =±，不包含在通解中.(2) 微分形式变量可分离方程的解法方程1122()()()()M x N y dx M x N y dy = （1.2）是变量可分离方程的微分形式表达式.这时，x 和y 在方程中的地位是“平等”的，即x 和y 都可以被认为是自变量或函数[1].在求常数解时，若10()0N y =，则0y y =为方程（1.2）的解.同样，若20()0M x =，则0x x =也是方程（1.2）的解.当()()120N y M x ≠时,用它除方程(1.2)两端,分离变量,得()()()()2112N y M x dy dx N y M x =上式两端同时积分,得到方程(1.2)的通积分()()()()2112N y M x dy dx C N y M x =+⎰⎰例2:求解方程()()22110x y dx y x dy -+-=解:首先,易见1,1y x =±=±为方程的解.其次,当()22(1)10x y --≠时,分离变量得22110ydy xdx x y --+=积分，得方程的通积分22ln 1ln 1ln x y C -+-= （C ≠0）或 ()()2211x y C --= （C ≠0）以上容归纳了变量可分离方程的解法,.有些方程虽然不是变量可分离方程,但是经过变量变换之后,就能化成变量可分离方程,接下来归纳了两类可化为变量可分离的方程及其解法.2.2可化为变量可分离方程(1) 第一类可化为变量可分离的方程:齐次微分方程如果一阶显式方程(,)dyf x y dx = （1.4） 的右端函数(,)f x y 可以改写为y x 的函数()yg x，那么称方程（1.4）为一阶齐次微分方程,也可以写为()dy yg dx x= (1.5) 作变量变换yu x= (1.6)于是y ux =，从而dy duu x dx dx=+ (1.7) 把（1.6），（1.7）代入（1.5）得()duxu g u dx+= 即 ()du g u u dx x-= (1.8) 方程（1.8）是一个变量可分离方程,当()0g u u -≠时,分离变量并积分,得到它的通积分1ln ()du dxC g u u x =+-⎰⎰ (1.9)或()1dug u uC x e-⎰=即()u x Ce ϕ=其中11(),()du u C g u u C ϕ==-⎰.以yu x=代入,得到原方程(1.5)的通积分 ()y xx Ceϕ=若存在常数0u ,使00()0g u u -=，则0u u =是(1.8)的解, 由yu x=,得0y u x =是原方程（1.5）的解[1]．例3：解方程22dyx xy y dx=- 解：将方程化为 2dy y y dx x x ⎛⎫=- ⎪⎝⎭,令y u x =，代入上式得2du u xu u dx +=-,即 2duxu dx=-易于看出,0u =为这个方程的一个解,从而0y =为原方程的一个解. 当0u ≠时,分离变量得2.du dxu x-=两端积分后得1ln x C u=+ 或 1ln u x C=+将u 换成y x ,并解出y ,便得到原方程的通解ln x y x C=+. (2)第二类可化为变量可分离的方程形如111222a xb yc dy dx a x b y c ++=++ （2.1） 的方程是第二类可化为变量可分离的方程[1]. 其中111222,,,,,a b c a b c 均为常数.分如下情况：12()0i c c ==1122a x b y dy dx a x b y+=+. 即 1122ya b dy x ydx a b x+=+ 用变量代换yu x=即可化为可分离变量的微分方程．111222()a b c ii k a b c ==≠ 令22u a x b y =+ 则122222ku c du dya b a b dx dx u c +=+=++ 是可分离变量的微分方程． 1122()a b iii a b ≠ 若12,c c 不全为零，则1112220a x b y c a x b y c ++=⎧⎨++=⎩ 代表oxy 平面上的两条相交的直线有且只有唯一的交点,设为(),αβ令X x Y y αβ=-⎧⎨=-⎩，则上述方程变为11220a X bY a Xb Y +=⎧⎨+=⎩ 则（1.7）变为1122a X bY dX x g dY a X b Y y ⎛⎫+== ⎪+⎝⎭为可分离变量的微分方程． 注：若120c c ==，则为()i 的情形． 例4：求方程25--+-=y x y x dx dy .解：令2--=y x u ,则du dx dy -=，代入得到uu dx du 71+=-，有 dx udu 7-=，所以)(722为常数C C x u +-=，把u 代入得到)(7222为常数）（C C x y x =+--。
例5：求方程1212+-+-=y x y x dx dy . 解：由⎩⎨⎧=+-=+-012012y x y x ,得⎪⎩⎪⎨⎧=-=3131y x ,令⎪⎩⎪⎨⎧-=+=3131y v x u ,有⎩⎨⎧==du dx dv dy ，代入得到uvu v v u v u du dv 21222--=--=， 令u v t =， 有udt tdu dv +=，代入得到ttdu dt u t 212--=+， 化简得到，)1(2)1(22221222t t t t d dt t t t u du +-+--=+--=， 有)(2)1ln(ln 2为常数C C t t u ++--=， 所以有)(1121C e C t t C u ±=+-=，故代入得到 )0(,31313131131121≠⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-++--=+C x y x y C x3 常数变易法一阶线性微分方程的一般形式()()dyp x y f x dx+= （2.2） 其中(),()p x f x 在考虑的区间上是x 的连续函数.当f ()0=x 时,即()0dyP x y dx+= （2.3）称为一阶线性齐次微分方程，当()0f x ≠，称为一阶线性非齐次微分方程.3.1齐次方程通解的解法：一般变量分离对()0dyp x y dx+=分离变量，得 ()1dy p x dx y=- 两边同时积分，得()1ln y p x dx c =-+⎰即 ()2p x dxy c e -⎰=则 ()(0)p x dx y ce c -⎰=≠3.2 非齐次方程通解的解法：常数变易法不难看出,（2.3）是（2.2）的特殊情形,两者既有联系又有差别,因此可以设想它们的解也应该有一定的联系而又有差别,现试图利用方程的通解的形式去求出方程的通解,显然,如果中c 恒保持为常数,它们不可能是的解.可以设想在中将常数c 变易为x 的待定函数,使它满足方程,从而求出(),x c 为此，令()()p x dxy c x e -⎰= （2.4）为方程（2.2）的解，其中()c x 待定，将（2.4）代入（2.2），得 ()()()'()()[()]()()()p x dx p x dx p x dxc x e c x e p x p x c x e f x ---⎰⎰⎰+-+⋅=即 ()'()()p x dxc x f x e ⎰=从而 ()()()p x dxc x f x e dx c ⎰=+⎰故，方程（2.2）的通解为()()()()p x dx p x dx p x dxy ce e f x e dx --⎰⎰⎰=+⋅⎰注：一阶非齐次微分方程的通解等于对应的齐次方程的通解与非齐次方程的一个特解之和[4]。