二阶变系数线性微分方程化为标准型的求解
二阶阶微分方程的解法及应用课件

参数法是一种求解二阶微分方程的方法,通 过引入参数,将微分方程转化为关于参数的 常微分方程。这种方法适用于具有特定形式 的一阶和二阶微分方程,特别是当微分方程 的解与某个参数有关时。通过求解关于参数 的常微分方程,我们可以找到微分方程的解
二阶阶微分方程的解法及应用课件
目 录
• 二阶阶微分方程的基本概念 • 二阶阶微分方程的解法 • 二阶阶微分方程的应用 • 二阶阶微分方程的数值解法 • 二阶阶微分方程的边界值问题
01 二阶阶微分方程的基本概 念
二阶阶微分方程的定义
二阶阶微分方程是包含两个未知函数 和它们的二阶导数的方程。
二阶阶微分方程的一般形式为 F(x, y, y', y''...) = 0,其中 F 是一个给定的函 数,x 和 y 是未知函数及其导数。
供需模型
01
二阶微分方程可以用来描述商品价格随时间和供需关系的变化
。
投资回报
02
在金融领域,二阶微分方程可以用来预测股票价格的变化和投
资回报。
经济增长
03
在研究经济增长时,二阶微分方程可以用来描述人均收入随时
间的变化。
在工程中的应用
控制系统
在自动化和控制工程中,二阶微分方程被用来描述系 统的动态响应和稳定性。
一维边界值问题
一维边界值问题是指求解一个关于一个自变量的二阶微分方程,同时给出该自变 量在两个特定点的取值条件。
一维边界值问题通常用于描述一个物理系统在一维空间中的行为,例如弦的振动 、波的传播等。解决这类问题通常需要使用打靶法、有限差分法等数值方法。
多维边界值问题
多维边界值问题是指求解一个关于多个自变量的二阶微分方 程组,同时给出这些自变量在多维空间中的边界条件。
举例说明将二次型化成标准型的方法

举例说明将二次型化成标准型的方法1. 使用平方配方法将二次型化简成标准型。
对于二次型x^2 - 2xy + 3y^2,可以通过将其分解为(x - y)^2 + 4y^2,得到标准型。
2. 使用线性代数的变量代换方法将二次型化简成标准型。
对于二次型x^2 - 2xy + 3y^2,可以令u = x - y和v = y,然后将原二次型转化为标准型u^2 + 2v^2。
3. 使用正交变换将二次型化简成标准型。
正交变换可以通过特征值分解或奇异值分解来实现。
对于二次型x^2 - 2xy + 3y^2,可以进行正交变换,得到标准型x'^2 + 2y'^2。
4. 使用特征值分解将二次型化简成标准型。
特征值分解可以将二次型的矩阵表示分解为特征向量和特征值的乘积。
通过对角化矩阵,可以将二次型转化为标准型。
5. 使用奇异值分解将二次型化简成标准型。
奇异值分解可以将二次型的矩阵表示分解为奇异向量和奇异值的乘积。
通过对角化矩阵,可以将二次型转化为标准型。
6. 使用正交变换将二次型化简成标准型的等价二次型。
正交变换不仅可以将二次型转化为标准型,还可以将其转化为等价二次型,即具有相同特征值但不同特征向量的二次型。
7. 使用特征值分解将二次型化简成标准型的等价二次型。
特征值分解可以将二次型的矩阵表示分解为特征向量和特征值的乘积。
通过对角化矩阵,可以将二次型转化为等价二次型。
8. 使用奇异值分解将二次型化简成标准型的等价二次型。
奇异值分解可以将二次型的矩阵表示分解为奇异向量和奇异值的乘积。
通过对角化矩阵,可以将二次型转化为等价二次型。
9. 使用主轴变换将二次型化简成标准型。
主轴变换是一种可以将二次型的矩阵表示转化为对角矩阵的变换。
10. 使用化简平方矩阵的方法将二次型化简成标准型。
化简平方矩阵是一种通过行和列的线性组合得到的矩阵,可以将二次型的矩阵表示简化为对角矩阵。
11. 使用特征值问题的解法将二次型化简成标准型。
二阶变系数齐次微分方程通解的求法

假设 2 ( * %) &" ( ( + %) & (( , %)5 $ , , 即 " %& . " ( % ( !) & ( ( 5 $, ( & . ") ( &% . " )5 $ 6 因为 & 为常数, 所以 & # " , 由此得方程的一个特解 !! # #"% ,
% 再设 !" # $ ( %) #特解, 则
! ( ( ) &( "
参考文献
+ 张清芳, 库在强0 用观察法求某些二阶系数齐次方程的通解 [ ,] , 高等数学研究, "’’- , . (&) : /0 —/. [!]
-----------------------------------------( 上接第 !. 页) + 所以原方程组的通解为: " & 2 0 & $ ! $ &20 $ " - 2 0 $ " "20 (!! ("! (&! (!! ("! (&! 1 %( !! !" ) # ’ # ’ ’ % ! ’ (!" ("" (&" (!" ("" (&" ’ % 2 0 ’ ! -20 ’ ’ ’ ’ ! " % & ("! $ ("" & 2 0 % & (&! $ (&" $ & 2 0 % & (!! $ (!" " 2 0 $ - (!! % " (!" $ " $ - ("! % " ("" - 2 0 $ -& (&! % " (&" (!! ("! (&! - 2 0 % (!" ("" % 2 0 % (&" (!" ("" (&"
二阶变系数线性微分方程的一些解法

2
积分得 x2 + y2 =C2 42
即抛物线族 y=Cx2 的正交轨线是一个椭圆族,如
图 6-4。
三、追迹问题
例 3. 开始时,甲、乙水平
距离为 1 单位,乙从 A 点沿垂
直于 OA 的直线以等速 v0 向正
比行走;甲从乙的左侧 O 点出
发,始终对准乙以 nv0(n>1)
的速度追赶,求追迹曲线方程,
就是所要求的正交轨线。 例 2 求抛物线族 y=Cx2 的正交轨线。 解 对 y=Cx2 关于 x 求导,得
y′=2Cx 与原方程联列
y Cx 2
消去 C
y' 2Cx
图 6-4
得微分方程
y′= 2y x
将- 1 代入 y′得所求抛物线的正交轨线微分方程 y'
- 1 =2y y' x
即
ydy=- x dx
第九节 二阶变系数线性微分方程
的一些解法
常系数线性齐次方程和某些特殊自由项的常系数 线性非齐次方程的解法已在第七节中介绍,而对于变 系数线性方程,要求其解一般是很困难的。本节介绍 处理这类方程的二种方法
§9.1 降阶法
在第五节中我们利用变量替换法使方程降阶,从而
求得方程的解,这种方法也可用于二阶变系数线性方
线族。例如 y=Cx2为一抛物线族。
图 6-3 如果存在另一族曲线 G(x,y,C)=0,其每一条曲线 都与曲线族 F(x,y,C)=0 的每条曲线垂直相交,即不 同族中的曲线在交点处的切线互相垂直。则称 G(x,y,C)=0 为 F(x,y,C)=0 的正交轨线。 将曲线族方程 F(x,y,C)=0 对 x 求导与 F(x,y,C) =0 联列并消去常数 C,得曲线族上任一点的坐标(x,y) 和曲线在该点的斜率 y′所满足的微分方程
变系数二阶线性微分方程的一个可解定理

0 引 言
不失一 般性 , 虑 变 系 数 二 阶线 性 齐 次 微 分 考
方程 . +P( ) + q ), 0 xy Q ( )= () 1 ) () 2
其 中系 数 e( ) , x Q( )≠ 0 9= x E C Q( )E C , x ,
cn t 自由项 os ; )E c.
一 n ( ) ; “£ 垒 p s 兰 0 、
() 3
其 中 系 数 P( 、 )满 足 条 件 () 从 中 消 去 ) p( 7,
( 即得 P ) Q( 满 足 ) ( 、 )
这 时 , 自变 量变 换 籍
=
j(d Q)
( 故必 要性 得证 . 4 )
( eat n f t m t s hs sH nnIstt o nier g Xn t 1 14 H nn C ia D pr t h ac —P yi u a tu f g e n , i a 4 0 , u a , hn ) me o Ma e i c ni e E n i gn 1
1 定理
方 程 () 以籍 自变 量 变 换 化 为 二 阶 常 系数 1可 线性 方 程 的充 要条 件 是其 系数 e( ) Q( )满足 x、 x
条件 :
和 二 阶线 性 非 齐 次 微分 方程
+P( ) +q ),= xy Q( )
收 稿 日期 :0 1 1 o 2 0 一l 一 6
2 2 充 分性 .
A o v b e Th o e o Va i b e Co m ce t S l a l e r m t ra l e in S c nd O r e n a f e e ta u to e o d r Li e r Di r n i lEq a i n
二阶微分方程类型及其解法

~
y =x2Qn(x)e αx
例 3.
d2y dy
(1)
+5 +6y=e 3x
dx2 dx
d2y dy
(2)
+5 +6y=3xe -2x
dx2 dx
d2y dy
(3)
+α +y=-(3x2+1)e -x
dx2 dx
解 (1)因α=3 不是特征方程 r2+5r+6=0 的根,故方程具有形如
~
y =a0e 3x
决,因此下面要解决的问题是求方程(7.3)
方程(7.3)的特解形式,与方程右边的 f(x)有关,这里只就 f(x)的两种常见
一、f(x)=pn(x)eαx
pn(x)是 n 次多项式,我们先讨论当α=0 时,即当
f(x)=pn(x
d2y dy dx 2 +p dx +qy=pn(x)
§62 二次型化为标准型的三种方法

2 n n n
2
a 12 a 1n a 11 x 1 x 2 ... xn a 11 a 11 1 a 12 x 2 a 13 x 3 ... a 1n x n a 11
2 2 a 22 x 2 ... 2a 2 n x n 2 ...... a nn x n
2 1
y 的 系 数 2 a 0 , 再 用 ( 1 ) 化 简 . 1 2
反复使用(1)与(2),可以在有限步内将二次型 化为标准形. y=Dz,|D|≠0 因为 x=Cy, |C|≠0 则 x=(CD)z, |CD|=|C||D|≠0 也是非退化线性替换.
以上做法中,每一步都是非退化线性替换.
2 2 2 x 2 x x 2 x x 2 x 5 x 6 x x 1 12 13 2 3 2 3 2 2 2 去掉配方后多出来的项 x x x x 4 x 4 xx 1 2 3 2 3 23 2 2 2 2 2 x x 2 x x 2 3 2 3 x x x x 4 x 4 x x
g ( y , y , , y ) d y d y d y ,
2 n n
上 式 称 为 f 的 标 准 型 .
(2)如果存在,如何求C?
问 题 : ( 1 ) 非 退 化 得 线 性 替 换 X C Y 是 非 存 在 ?
定理 任何一个二次型都可以通过非退化线性 替换 化为标准形。
' 2 ay n nn
当aii'不全为零时,继续上述方法.否则用下述(2)
(2)若a ii=0 (i=1,2,…,n),但至少有一个aij≠0,
设a12≠0,则
f(x ,x ,...,x 1 2 n) 2 a xx a xx a xx 1 2 1 2 2 1 3 1 3 ...2 1 n 1 n 2 a xx a xx 2 3 2 3 ...2 2 n 2 n ...... 2 a x x n 1 , n n 1 n
微分方程的二阶常系数线性方程与特解求解

微分方程的二阶常系数线性方程与特解求解微分方程是数学中重要的一门分支,广泛应用于物理、工程、经济等领域。
其中,二阶常系数线性微分方程是一类常见且重要的微分方程类型。
在本文中,我们将探讨如何求解二阶常系数线性微分方程以及特解的求解方法。
首先,我们来了解一下什么是二阶常系数线性微分方程。
二阶常系数线性微分方程的一般形式为:$$\frac{d^2y}{dx^2} + a\frac{dy}{dx} + by = f(x)$$其中,$a$和$b$是常数,$f(x)$是关于自变量$x$的函数。
这个方程中的未知函数是$y(x)$,我们的目标是求解$y(x)$的表达式。
要求解二阶常系数线性微分方程,我们可以先求解其对应的齐次方程,再找到特解,最后将齐次方程的通解与特解相加得到原方程的通解。
齐次方程是指当等号右边的$f(x)$为零时的方程,即:$$\frac{d^2y}{dx^2} + a\frac{dy}{dx} + by = 0$$齐次方程的解可以通过特征方程来求解。
特征方程是将齐次方程中的导数项全部移到左边,并将未知函数$y(x)$表示为指数函数$e^{rx}$的形式得到的方程。
假设$y(x) = e^{rx}$,代入齐次方程中得到:$$r^2e^{rx} + are^{rx} + be^{rx} = 0将$e^{rx}$提取出来得到:$$e^{rx}(r^2 + ar + b) = 0$$由指数函数的性质可知,$e^{rx}$不可能为零,所以我们得到一个关于$r$的二次方程:$$r^2 + ar + b = 0$$解这个二次方程可以得到两个不同的解$r_1$和$r_2$。
这两个解可以是实数或复数。
根据这两个解,我们可以得到齐次方程的通解:$$y_h(x) = C_1e^{r_1x} + C_2e^{r_2x}$$其中,$C_1$和$C_2$是常数。
接下来,我们需要找到二阶常系数线性微分方程的特解。
特解是指使得原方程成立的一个特定解。
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(2-10)
令 c1′ ( x) y1′ + c2′ ( x) y2′ + + cn′ ( x) yn′ =0
则
= yp′′ c1 ( x) y1′′ + c2 ( x) y2′′ + + cn ( x) yn′′
(2-11)
即 yp′′ 也具有 c1 ( x), c2 ( x),, cn ( x) 为常数时所具有的形式。
2. 标准型
二阶变系数线性微分方程
d2 y dx2
+
p1
(
x)
dy dx
+p2( Nhomakorabeax)
y
= Φ ( x)
(1-1)
其中 p1 ( x), p2 ( x), Φ ( x) 均为 x 的连续函数。
设
y = uv
(1-2)
其= 中 u u= ( x), v v ( x)
= dy u dv + v du dx dx dx
由(1-7)式可解得
u
=
−
e
1 2
∫
p1( x)dx
再由(1-7)~(1-9)式可得
2
d2u dx2
+
p1
(
x)
du dx
+
u
dp1 ( x)
dx
= 0
2
d2u dx2
−
1 2
p12
(x)u
+
u
dp1 ( x)
dx
= 0
d2u dx2
−
1 4
p12
(
x)u
+
1 2
u
dp1 ( x)
dx
= 0
= ddx2u2
( ) dn y
dn−1 y
dn−2 y
dy
dxn
+
p1
dxn−1
+
p2
dxn−2
++
pn−1
dx
+
pn y
=Φ
x
(2-4)
设其通解为
y ( x=) yc + yp
(2-5)
其中,对于
yc =
c1
y1
+
c2
y2
++
cn
yn
(2-6)
的求法(齐次方程的通解)——特征方程,特征根。
假设已知 yc ,现在求 yp 。
Solution of Two Order Variable Coefficient Linear Differential Equation into Standard Form
Xiong Chen1,2, Shiyou Lin1*, Haohan Zhang1 1School of Mathematics and Statistics, Hainan Normal University, Haikou Hainan 2Yilong County No.2 Middle School, Hainan Normal University, Sichuan Nanchong
(2-13)
= 其中 k 0,1, 2,, n − 2 。
( ) ( ) ( ) = y(pn−1)
c1
x y1(n−1) + c2
x
y2( n −1)
++
cn
x
yn( n −1)
y(pn)
=
c1 ( x)
y1(n)
+ c2
(x)
y2(n)
+ + cn
(x)
yn(n)
+
c1′
(x)
y1( n −1)
同理可求得 yp 的三阶导数为
( ) ( ) ( ) = yp′′′ c1 x y1′′′ + c2 x y2′′′ + + cn x yn′′′
(2-12)
依次求导至 n −1 阶的导数,且每一次的导数满足
c1′ ( x) y1(k) + c2′ ( x) y2(k) + + cn′ ( x) yn(k) =0
则
= y p′
c1
(
x)
y1′
+
c2
(
x)
y2′
+
+
cn
(
x)
yn′
(2-9)
即 yp′ 具有 c1 ( x), c2 ( x),, cn ( x) 为常数时所具有的形式。
对 yp 继续求二阶导数
= yp′′ c1 ( x) y1′′ + c2 ( x) y2′′ + + cn ( x) yn′′ + c1′ ( x) y1′ + c2′ ( x) y2′ + + cn′ ( x) yn′
Keywords
Two Order Variable Coefficient, Linear Differential Equation, Standard Type, Cofunction, Particular Integral, General Solution
二阶变系数线性微分方程化为标准型的求解
+ c2′
(x)
y2( n −1)
+ + cn′
(x)
yn( n −1)
(2-14) (2-15)
所以
= yp′ c1 ( x) y1′ + c2 ( x) y2′ + + cn ( x) yn′
= yp′′ c1 ( x) y1′′ + c2 ( x) y2′′ + + cn ( x) yn′′
时所具有的形式。
90
陈雄 等
所以,对(2-7)式求导可得
= yp′ c1 ( x) y1′ + c2 ( x) y2′ + + cn ( x) yn′ + c1′ ( x) y1 + c2′ ( x) y2 + + cn′ ( x) yn
(2-8)
令 c1′ ( x) y1 + c2′ ( x) y2 + + cn′ ( x) yn =0
( ) ( ) ( ) = yp′′′
c1
x y1′′′ + c2
x
y2′′′
++
cn
x
yn′′′
( ) ( ) ( ) = y(pn−1)
c1
x
y1(n−1) + c2
x
y2( n −1)
++
cn
x
yn( n −1)
= y(pn)
c1
(x)
y1(n)
+
c2
(
x)
y2(n)
++
cn
(x)
88
陈雄 等
u
d2v dx2
+
2
du dx
+
p1
( x)u
dv dx
+
d2u
dx
2
+
p1
(x)
du dx
+
p2
(
x
)u
v
= Φ ( x)
令 dv 的系数等于 0,即 dx
2
du dx
+
p1
(
x)u
= 0
du dx
=
−1 2
p1 ( x)u
2 du dx
=
− p1 ( x)u
Abstract
This paper discusses the solution of the two order variable coefficient linear differential equation with standard type, which transforms the traditional method of reducing order. Through simplifying the original differential equation and using means of cofunction and particular integral, we can get the homogeneous and non-homogeneous solution of the standard type. Finally we can construct the general solution of the original equation.
+
p2
(
x)
−
1 2
dp1 ( x)
dx
−
1 4
p12
( x) uv
= Φ ( x)
上式两边同时除以 u 后得
d2v dx2
+
p2
(x)
−
1 2
dp1 ( x)
dx
−
1 4
p12
( x) v
= Φ ( x) = Φ ( x)e
1 2
∫
u
p1( x)dx
即
d2v dx2
设待定函数
c1
(
x
)
,
c2
(
x
)
,
,
cn
(
x
)
,满足