常系数非齐次线性微分方程
高阶常系数非齐次线性微分方程
高阶常系数非齐次线性微分方程在工程、物理、金融等领域都有广泛应用。
它是一个非齐次方程，其中存在一个常系数，其次数为高阶的微分方程，求解这个微分方程是理解和应用这些领域的重要基础。
一、概述在微积分的学习过程中，学生们常常会遇到求解常系数非齐次线性微分方程的问题。
它也被称为高阶非齐次微分方程。
其中的“常系数”指的是微分方程中所有的系数都是常数，而“非齐次”则表示方程中存在非零项。
假设我们有一个高阶常系数非齐次微分方程：$$\frac{d^ny}{dx^n}+a_{n-1}\frac{d^{n-1}y}{dx^{n-1}}+...+a_1\frac{dy}{dx}+a_0y=f(x)$$其中 $a_0,a_1,...,a_{n-1}$ 是常数，$f(x)$ 是一个已知函数。
为了解决该微分方程，我们需要找到一个解 $y(x)$。
二、齐次微分方程的求解首先，我们需要解决由齐次微分方程所得到的通解。
齐次微分方程是指 $f(x)$ 的项为 $0$，即$$\frac{d^ny}{dx^n}+a_{n-1}\frac{d^{n-1}y}{dx^{n-1}}+...+a_1\frac{dy}{dx}+a_0y=0$$这个微分方程可以通过假设 $y(x)=e^{\lambda x}$ 为通解进行求解，得到特征值方程：$$\lambda ^n+a_{n-1}\lambda ^{n-1}+...+a_1\lambda+a_0=0$$特征值方程的解称为特征根$\lambda_1,\lambda_2,...,\lambda_n$，它们也称为系统的固有值。
特征根决定了系统的动态性质。
找到特征根后，我们可以得到齐次微分方程的通解：$$y(x)=c_1e^{\lambda_1 x}+c_2e^{\lambda_2x}+...+c_ne^{\lambda_n x}$$其中 $c_1, c_2,...,c_n$ 是常数。
三、非齐次微分方程的求解在解决了齐次微分方程的通解后，我们可以将非齐次微分方程转化为齐次微分方程。
求常系数非齐次线性微分方程的特解的一般方法和特殊技巧
求常系数非齐次线性微分方程的特解的一般方法和特殊技巧1、求常系数非齐次线性微分方程的特解的一般方法下面两个公式是求特解的重要公式： A 、 p 为单根时()t f p D -1对应的特解为()dt t f eeX ptpt⎰-=,即 ()()t f eDet f pD ptpt-=-11； （21）B 、p 为s 重根时()t f p D s)(1-对应的特解为()()sptsptsdt t f e eX-⎰⎰⎰=,即()()t f eDet f p D ptspts-=-1)(1。
（22）注：公式（21）也可以作为公式（22）在1=s 时的特例。
由通解公式知，求常系数非齐次线性微分方程的通解问题，就是求其对应齐次方程通解(这主要是求代数方程根的问题)和求原方程的一个特解。
我们下面只讨论如何用（21）和（22）求非齐次方程的特解。
例1：求下列非齐次微分方程的特解： 1)()tt ee x D D226-+=--； 2）()t x Dsin 12=+；3) ()221t x D D+=+； 4) ()teex D D=+-232。
解：设特解为X 1) 解1：()()()tttttteeD e eD eeD D 22222151315161---++-+-=+--()()dteeee dte eeetttttttt⎰⎰----+-+=2222335151tttttttete e te e ee 2222251516151151251101-------=----=取tttee X 25161---= 。
（注意，te 2251--将被合并在方程的通解之中）解2：()()()()()dteeeeD eeD DeeD D tttttttt⎰----++=+-+=+--23322221312161()tt t ttttttttee dt ee eedteeeeD 22222335161512121-------=⎪⎭⎫⎝⎛+-=++=⎰⎰tttee X 25161---= 。
常系数非齐次线性微分方程
一、f (x)=ex Pm (x) 型
x
2 Q ( x ) ( 2 p)Q ( x ) ( p q )Q( x ) Pm ( x ) 2 (1) 若不是特征方程的根， p q 0, 可设 Q( x ) Qm ( x ), y* Qm ( x )e x ; ( 2) 若是特征方程的单根，
p q 0,
2
2
2 p 0,
2
可设 Q( x ) x Qm ( x ), y* x Qm ( x )e .
综上讨论
x
0 不是根 k x 设 y* x e Qm ( x ) , k 1 是单根, 2 是重根
4/12
f (x)=ex Pm (x) 型, 可设 y * ( x ) x k Qm ( x )e x （k是作为特征根的重数） 待定 2x 例1 求 y 3 y 2 y xe 的通解.
f (x)=ex[Pm1(x)cosx+Pm2(x)sinx] 型
[2( A sinx B cos x ) x( A cos x B sin x )] x( A cos x B sin x ) 4 sin x A 2 , B 0.
x e [ R ( x) cosx R ( x) sinx]
(1) m ( 2) m
8 /12
k x
(1) ( 2) 可设 y * ( x ) x k e x ( Rm ( x ) cos x Rm ( x ) sin x ) （m max{ m1 , m2 }， 待定 k是 i作为特征根的重数）
( n) ( n 1)
p1 y
( n 1)
pn1 y pn y f ( x )
常系数非齐次线性微分方程
在经济学中，常系数非齐次线性微分方程可以用于 描述经济系统的变化趋势和规律。
02 常系数非齐次线性微分方 程的解法
特解的求解方法
待定系数法
通过设定特解的形式，代入原方程求解待定系数。
微分算子法
利用微分算子的性质，构造特解的形式。
复数法
通过复数域的方法，求解特解。
变参数法
通过改变参数的值，寻找满足原方程的特解。
通解的求解方法
分离变量法
通过将方程转化为分离变量的形式，求解得到通解。
变量代换法
通过引入新的变量代换简化原方程，求解得到通解。
积分法
通过对方程两边积分，求解得到通解。
通解的求解实例
实例1
求解方程$y'' + 2y' + y = e^{-x}$，通过分 离变量法得到通解$y = (C_1 + C_2x)e^{-x}$。
求解方程 $y'' - 4y = 3x$ 的特解。
求解方程 $y'' + 2y' + y = e^{-x}$ 的特解。
例1
例2
例3
03 常系数非齐次线性微分方 程的通解
通解的定义与性质
定义
常系数非齐次线性微分方程的通解是指满足该方程的任意函数，它由一个特解和对应齐次方程的通解组成。
性质
通解具有唯一性，即对于给定的非齐次线性微分方程，其通解是唯一的。
判断方法
通过解方程来判断，如果方程有唯一解，则说 明解是唯一的。
应用
在数学、物理等领域中，解的唯一性是基础且重要的概念。
解的存在性
定义
解的存在性是指对于给定的初始条件，方程是否 有解。
常系数非齐次线性微分方程61892
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练习1 求方程 y 4 y 4 y 0的通解. 解 特征方程为 r 2 4r 4 0 , 解得 r1 r2 2 ,
其通解为
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第八节
第七章
常系数非齐次线性微分方程
一、 f (x) e x Pm (x) 型
二、 f (x) e x[Pl (x) cos x P~n (x)sin x] 型
二阶常系数非齐次线性微分方程：
y py qy f (x) (1)
特征根： n个，重根按重数计
一个单实根 r
一个解 erx
一个k重根 r
k个解 erx , xerx , , xk e 1 rx
一对共轭单复根
r i
两个解
ex cos x, ex sin x
一对共轭k重复根
r i
2k个解，
e x cos x, xe xcos x, , xk1excos x, e x sin x, xe xsin x, , xk1exsin x,
y p y q y 0 ( p, q 为常数) 特征方程： r2 pr q 0 特征根: r1 , r2
(1) 当 r1 r2 时, 通解为 y C1 er1 x C 2 er2 x (2) 当 r1 r2 时, 通解为 y (C1 C 2 x ) er1 x
特征根：
r 1 二重根
对应齐次方程的通解：Y (C1 C2x)ex
λ = 1 因为 λ = 1是特征重根，设特解：
y* x2(ax b)ex (ax3 bx2 )ex
常系数非齐次线性微分方程
常系数非齐次线性微分方程
常系数非齐次线性微分方程是一类常见的微分方程，在数学和物理
学等领域有着广泛的应用。
那么，常系数非齐次线性微分方程是什么呢？它的一般形式是什么样的？它的解法有哪些呢？下面我们来一一
探讨。
首先，常系数非齐次线性微分方程是指一类满足以下形式的微分方程：a1(x)y'' + a2(x)y' + a3(x)y = f(x)
其中，a1(x)、a2(x)、a3(x)是常数系数，y是未知函数，f(x)是给定的函数。
这类微分方程的特点是：未知函数的阶数不超过二阶，并且常数
系数都是常数。
其次，常系数非齐次线性微分方程的解法有多种。
对于没有特殊限制
的常系数非齐次线性微分方程，通常采用牛顿迭代法来求解。
牛顿迭
代法是利用牛顿近似定理，通过不断迭代来逼近方程的解的一种求解
方法。
但是，如果该方程具有特殊的性质，则可以使用其它方法来求解。
例如，如果该方程具有对称性，则可以使用对称法求解；如果该
方程具有线性特征，则可以使用线性特征法求解。
最后，常系数非齐次线性微分方程在数学和物理学等领域有着广泛的
应用。
在数学中，它常用于描述各种数学模型；在物理学中，它常用
于描述各种物理现象，如电学、力学、热学等。
因此，掌握常系数非
齐次线性微分方程的求解方法，对于理解和研究这些领域的知识具有
十分重要的意义。
常系数非齐次微分方程的特解怎么设
常系数非齐次微分方程的特解怎么设常系数非齐次微分方程的特解怎么设一、引言在微积分学中，微分方程是研究变量之间关系的重要工具。
其中，常系数非齐次微分方程是一类特殊且常见的微分方程，其解法具有一定的规律性。
本文将对常系数非齐次微分方程的特解设定进行探讨，并分析其中的原理和应用。
二、常系数非齐次微分方程的定义和特点常系数非齐次微分方程是指微分方程中的系数都是常数，且方程右端有非零的常数项。
其一般形式可以表示为：```a_n*y^(n) + a_(n-1)*y^(n-1) + ... + a_1*y' + a_0*y = f(x)```其中，n为微分方程的阶数，`a_n, a_(n-1), ..., a_1, a_0`为常数，`y^(n)`表示y的n次导数，f(x)为非零的常数项。
常系数非齐次微分方程的求解主要有两个步骤：先求解对应的齐次线性微分方程，再求解非齐次线性微分方程。
其中，对于齐次线性微分方程，我们可以利用特征方程的方法求解得到其通解。
而对于非齐次线性微分方程，则需要设定特解，并将特解与齐次方程的通解相加。
三、设定特解的方法设定特解的方法主要有待定系数法和常数变易法两种。
1. 待定系数法待定系数法是常用的一种设定特解的方法，其基本思想是通过设定未知函数的形式，将特解代入微分方程，进而确定未知函数的系数。
常见的设定特解的函数形式有多项式、幂函数、指数函数、三角函数等。
以常见的一阶非齐次线性微分方程为例，形式如下：```a_1*y' + a_0*y = f(x)```我们可以设定特解的函数形式为`y_p = C`，其中C为待定常数。
将特解代入方程，得到：```a_1*0 + a_0*C = f(x)```从上式可以解得待定常数C的值，进而求得此时的特解。
对于高阶非齐次线性微分方程，设定特解的方法类似。
不同的是，在设定特解的函数形式时，需要根据方程右端的f(x)的形式选择相应的函数。
一些常系数非齐次线性微分方程的复数解法
一些常系数非齐次线性微分方程的复数解法一些常系数非齐次线性微分方程的复数解法的研究和应用1.研究(1)经典复数解法复数解法是指将非齐次线性微分方程转化为一般形式的复数解法，可以使用经典复数解法求解，例如：常系数非齐次线性微分方程可以转化为复数解法：$$y''+py'+qy=0$$其中，p和q是常数，y是函数。
可以将其转化为：$$\frac{d^2y}{dx^2}+p\frac{dy}{dx}+qy=0$$可以转化为：$$\lambda^2+p\lambda+q=0$$其中，$\lambda$是复数解的形式，可以求出：$$\lambda=\frac{-p\pm\sqrt{p^2-4q}}{2}$$则原微分方程的通解为：$$y=c_1e^{\lambda_1x}+c_2e^{\lambda_2x}$$其中，$c_1$和$c_2$为任意常数，$\lambda_1$和$\lambda_2$分别为$\lambda$的两个根。
(2)拉普拉斯变换复数解法拉普拉斯变换复数解法是指将非齐次线性微分方程转化为拉普拉斯变换形式的复数解法，可以使用拉普拉斯变换复数解法求解，例如：常系数非齐次线性微分方程可以转化为拉普拉斯变换复数解法：$$y''+py'+qy=0$$其中，p和q是常数，y是函数。
可以将其转化为：$$\frac{d^2y}{dx^2}+p\frac{dy}{dx}+qy=0$$ 可以转化为：$$s^2+ps+q=0$$其中，$s$是拉普拉斯变换的形式，可以求出： $$s=\frac{-p\pm\sqrt{p^2-4q}}{2}$$则原微分方程的通解为：$$y=c_1e^{s_1t}+c_2e^{s_2t}$$。
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( p, q 为常数 )
i 为特征方程的 k 重根 ( k = 0, 1), 则可设特解:
y* x e
其中 上述结论也可推广到高阶方程的情形.
k x
~ Rm cos x Rm sin x
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例1. 的一个特解 . ~ 解: 本题 0, 2, Pl ( x) x, Pn ( x) 0, 特征方程 r2 1 0
2 时, 令 y A e x , 代入原方程得 A
故原方程通解为
1 ( 2 )
2
,
2 时, 令 y B x 2 e x , 代入原方程得 B 1 , 2
故原方程通解为
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不是特征方程的根, 故设特解为
代入方程得
(3 a x 3 b 4 c) cos 2 x (3 c x 3 d 4 a) sin 2 x x cos 2 x 3a 1 1 4 3b 4 c 0 a 3 , d 9 比较系数 , 得 3c 0 bc0 3d 4 a 0
第七章 第八节 常系数非齐次线性微分方程
一、 f ( x) e x Pm ( x) 型 二、 f ( x) e x [ Pl ( x) cos x ~ Pn ( x) sin x] 型
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小 结:
对非齐次方程
~ y p y q y e x Pl ( x) cos x P n ( x ) sin x
所求通解为
x ( 5 cos 3x 3 sin 3x )
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思考与练习
1 . (填空) 设
时可设特解为
y* x (a x b) cos x (cx d )sin x
时可设特解为
y* (a x b) cos 2 x (c x d ) sin 2 x k e 2 x
于是求得一个特解
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例2. 解: 特征方程为 r 2 9 0, 其根为
对应齐次方程的通解为
的通解.
为特征方程的单根 , 因此设非齐次方程特解为 代入方程:
6 b cos 3 x 6a sin 3 x
比较系数, 得 因此特解为 y* x ( 5 cos 3x 3 sin 3x )
提示:
~ [ Rm ( x) cos x Rm ( x) sin x]
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x 的通解 (其中 y 4 y 4 y e 2. 求微分方程
为实数 ) . 解: 特征方程 r 2 4 r 4 0 , 特征根: r1 r2 2 对应齐次方程通解: