二阶常微分方程的降阶解法

1、郑州航空工业管理学院毕业论文（设计）2015届数学与应用数学专业1111062班级 题 目 二阶常微分方程的降阶解法 姓 名贾静静学号111106213 指导教师程春蕊职称讲师2015年4月5号二阶常微分方程的降阶解法摘 要常微分方程是数学领域的一个非常重要的课题，并在实践中广泛于解决问题，分析模型。常微分方程在微分理论中占据首要位置,普遍应用在工程应用、科学研究以及物理学方面,不少应用范例都归结为二阶线性常微分方程的求解问题。而正常情况下，常系数微分方程依据线性常微分方程的日常理论是可以求解的.不过对于变系数二阶线性常微分方程的求解却有一定程度的困难,迄今为止还没有一个行之有效的普遍方法。本

2、文主要考虑了二阶常系数线性微分方程的降阶法。关于二阶常系数线性微分方程的求解问题,首先,我们给出二阶齐次常系数线性微分方程的特征方程，并求解出特征方程的两个特征根；其次，利用积分因子乘以微分方程和导数的运算，将二阶常系数线性微分方程化为一阶微分形式；最后，将一阶微分形式两边同时积分，求解一阶线性微分方程，可求得二阶常系数线性微分方程的一个特解或通解。关于二阶变系数齐次线性微分方程的求解问题，化为恰当方程通过降阶法求解二阶齐次变系数微分方程的通解。对于非齐次线性微分方程，只需再运用常数变易法求出它的一个特解，问题也就相应地解决了。关键词二阶常微分方程；降阶法；特征根；常数变易法；一阶微分形式Or

3、der reduction method of second order ordinary differential equationsJingjing Jia Chunrui Cheng 111106213 Abstract Ordinary differential equation is a very important topic in the field of mathematics, it has been widely used in solving the problem and analyzing model in practice . Ordinary differenti

4、al equations in the theory of differential occupied first place, it has been widely used in engineering application and scientific research as well as physics, many application examples are attributed to second order linear ordinary differential equation solving problem. And under normal circumstanc

5、es,ordinary coefficient differential equation on the basis of the linear often daily theory of differential equations is can be solved. But for the solution for variable coefficient second order linear ordinary differential equations have a certain degree of difficulty, so far we haven't a well-

6、established general method.This paper mainly introduces the method of reduction of order two order linear differential equation with constant coefficients.On the problem of solving the linear differential equation with two order constant coefficients,first, we give homogeneous ordinary coefficient l

7、inear differential equation of the characteristic equation and solve the two characteristic roots of characteristic equation;secondly,we should use the integral factor times differential equation and derivative operation and turn two order constant coefficient linear differential equation into the f

8、irst order differential equation.Finally, We first order differential and integral form on both sides, solve the first order linear differential equations and find out a special solution or general solution of the second order linear constant coefficient differential equation. We solve the problem o

9、f second order homogeneous linear differential equation with variable coefficients, and should be turned into the appropriate equation, through the order reduction method to solve the second order homogeneous general solution of differential equation with variable coefficients.Solving non-homogeneou

10、s linear differential equation, we need to calculate it by applying the method of constant variation of a particular solution, problem is solved accordingly.Keywords second order ordinary differential equation ；Order reduction method; Characteristic root; Constant variation method; A first order dif

11、ferential form. 目 录第一章 预备知识.2第二章 二阶常系数线性微分方程的降阶法.5 2.1提出问题.5 2.2二阶非齐次常系数线性微分方程的降阶法.6 2.3举例.6 2.4小结.8第三章 二阶变系数线性常微分方程的降阶法.9 3.1提出问题.10 3.2二阶齐次变系数线性常微分方程的降阶法.10 3.2.1求满足条件1的恰当方程的通解.10  3.2.2求满足条件2的恰当方程的通解.12 3.3小结.14第四章 可降阶的二阶常微分方程.15 4.1 型的微分方程.15 4.2 型的微分方程.15 4.3 型的微分方程.16第五章 可降阶的高阶常微分方程.18 5.

12、1 型的方程.18 5.2 型的方程.18 5.3 的方程.19 5.4 型的方程.20 总结.21 致谢.22 参考文献.23 二阶常微分方程的降阶解法班级学号 1111062 贾静静 指导教师 程春蕊 职称 讲师第一章 预备知识 1.只有自变量、未知函数及函数的导数（或微分）构成的关系式，就是微分方程。通过求解微分方程求出未知函数。当在微分方程中只有一个自变量时，我们便称为常微分方程。 2.考虑一阶线性微分方程 （1.1）其中在考虑的区间上是的连续函数。如果则式(1.1)变为 （1.2） 式（1.2）称为一阶齐次线性微分方程。如果则称式(1.1)为一阶非齐次线性微分方程。式（1.2）是变量

13、分离方程，我们可以求得它的通解为 （1.3） 这里是任意常数。 下面探讨非齐次线性方程（1.1）通解的求法。不难看出,(1.2)是(1.1)的特殊情形,可以想像一下：在（1.3)中，将常数变易为的待定函数。令 （1.4） 微分，得 （1.5） 将（1.4），（1.5）代入（1.1），得到 即 积分后得到.这里是任意常数。将上式代入(1.4)得到方程(2.1)的通解 这种将常数变易为待定函数的方式，我们通常称为常数变易法。3.分离变量法一阶微分方程的显式形式是和 (1.6) 分离变量法主要是用于解显式形式中变量可分离的方程和(1)方程 (1.7)用乘以等式两端，得到,这样变量与分离了。再将两端取

14、不定积分，得,其中是任意常数。这个式子已经不含导数或微分了，它具有形式称为方程(1.7)的通积分。如果还能从中解出,则称为方程(1.7)的通解。注意：若存在某个使时，从式(1.7)可知，也是方程的解，它在乘因子时被丢失了，应补入通解或通积分表达式中。(2)方程 （1.8） 同方程(1.7)一样，两边同乘以分离变量，再取不定积分，得到通积分,还要注意可能丢失的解。4. 变量代换法有些方程，通常可以通过引入适当的变量代换，化为变量已分离型方程或其他已知解法的方程。(1)齐次方程 （1.9）对于此类方程，我们可以引入变量代换，化原方程为，这样，变量就可以分离了。(2)方程 （1.10）这里且这类方程

15、我们分三类情况讨论：时：它就是齐次方程，上面已经讨论了。时，此时有，如果，设,则原方程可写成引进代换,上式可以化为这时已经变成变量可分离的方程了。假如，则由前面的假定有，这时，令，则原方程可以化为如下的可分离变量方程：时，我们用下例来说明解法的一般步骤。(3)方程 （1.11）这类方程可以引入变量代换，达到分离变量的目的。令，就有。代入原方程，得，即,达到了分离变量的目的。第二章 二阶常系数线性微分方程的降阶法2.1提出问题二阶常系数线性微分方 （2.1）式中：为已知函数，为已知函数；为未知函数，称式(2.1)为二阶常系数线性微分方程。如果称式(2.1)为二阶非齐次常系数线性微分方程；如果，称

16、式(2.1)为二阶齐次常系数线性微分方程，即 （2.2） 对于二阶齐次常系数线性微分方程（2.2）的求解，通常是运用特征根法，特殊的情况下(当即不存在时)，可能运用变量代换法，将二阶方程转化为一阶微分方程，即令，代入公式(2.2)(时)，可得即,两边同时积分，得，即再代入到中，得到 即为时方程(2.2)的通解。 关于二阶非齐次常系数线性微分方程(2.1)的求解，通常首先会讨论非齐次项的情形，主要有两种类型：形如与形如 其中为次多项式。利用待定系数法可以求得一个特解。对于非齐次项是一般的情形，用待定系数法显得无能为力。在本文中，对于一般的非齐次项，利用降阶法，求出其微分方程的一个特解或通解。2.

17、2二阶非齐次常系数线性微分方程的降阶法二阶非齐次常系数线性微分方程的降阶法的步骤为：步骤1 写出二阶齐次常系数线性微分方程(2.2)的特征方程，即,求出特征方程的两个特征根且步骤2 用乘以式(2.1)的两边，得 （2.3）利用关系式和导数的运算，将式(2.3)化为一阶微分形式，即 (2.4)步骤3 对于式(2.4)的两边同时积分，可将二阶线性微分方程化为一阶线性微分方程，有 （2.5）步骤4 求解一阶线性微分方程（2.5），令，当时，通解为当时，通解为一个特解公式为 (2.6)其中2.3举例通过具体例子说明降阶法求微分方程解的详细计算过程。例1 求微分方程满足条件的解解 令，于是，把它们代入原

18、方程，得,分离变量并积分，得，代回到，有再以条件代入上式，得于是，两边同时再积分，得将条件代入上式，得故原方程的解为例2 求微分方程的一个通解。解 步骤1 写出特征方程，即 其特征根为 步骤2 用乘以微分方程的两边，得上式可化为如下的一阶微分形式 (2.7) 步骤3 对于式(2.7)的两边同时积分，可将二阶线性微分方程化为一阶线性微分方程，有 (2.8) 步骤4，求解一阶线性微分方程(2.8),通解为例3 求微分方程的通解。解 步骤1 写出特征方程，即， 特征根为步骤2 用乘以方程的两边，得上式可化为如下的一阶微分形式 （2.9）步骤3 对于式（2.9）的两边同时积分，可将二阶线性微分方程化为

19、一阶线性微分方程，有 (2.10)步骤4 求解一阶线性微分方程（2.10），通解为 2.4 小结 上面2个例子中，例1是常见的非齐次项的微分方程的两种类型，如果利用待定系数法求解，计算量比较大、比较繁琐，例2不是常见的非齐次项的微分方程的类型，利用待定系数法无法求解，利用降阶法计算比较简单和方便.特别地对于一般的非齐次项的常系数线性微分方程，运用降阶法都能得到求解，同时给出了一般的非齐次项的常系数线性微分方程求特解的一个公式，即公式(2.6)，因此降阶法在实际运用中有用。第三章 二阶变系数线性常微分方程的降阶法3.1提出问题二阶变系数线性常微分方程的一般形式 (3.1) 其中是的已知函数；是未

20、知函数，是自变量，我们称式(3.1)为二阶变系数线性微分方程。如果，则称式(3.1)为二阶非齐次变系数线性微分方程；如果则称(3.1)为二阶齐次变系数线性微分方程，即 (3.2) 3.2二阶齐次变系数线性常微分方程的降阶法 二阶齐次变系数微分方程的通解可通过降阶法化为恰当方程求通解。引入概念  假如二阶变系数齐次微分方程满足下列条件1和条件2中的系数限制的条件时，所得到的方程就是恰当方程。 怎样运用恰当方程通过降阶法求解方程的通解？我们首先观察二阶变系数齐次线性微分方程的系数，将系数化为满足恰当方程的系数形式，其次将转化后的的系数形式代入方程，再运用变量代换，经过降阶法，化

21、方程为熟悉的一阶方程，最终积分求得方程的通解。  3.2.1   求满足条件1的恰当方程的通解条件1 二阶变系数线性常微分方程(3.2)，对于系数若满足 (3.3) 这些函数都是连续函数，则把此类方程称为恰当方程。假如方程(3.2)的系数满足条件1的(3.3),则方程是恰当方程。将其代入方程(3.2),就可以得到  (3.4)将上式通过变形得：  (3.5)利用变量代换，令 (3.6)则有 (3.7)解方程(3.7)得： (3.8)把(3.8)代入(3.6)，得 (3.9)解得： (3.10)则方程的通解为： (3

22、.11)其中为任意常数。例4 求微分方程的通解。解 令则系数满足条件1，则是恰当方程。将其带入原方程就可以得到  (3.12)将上式通过变形得： (3.13) 利用变量代换，令 (3.14) 则有 (3.15) 解方程(3.15)，得： (3.16)把式（3.16）代入（3.14），得 (3.17)解得： (3.18) 则方程的通解为： （3.19）其中为任意常数所以原方程的解为：3.2 .2 求满足条件2的恰当方程的通解条件2 二阶变系数线性微分方程(3.2),对于系数，若满足，其中为一阶导数连续的函数，则把此类方程称为恰当方程。 若方程(3.2)的系数满足条件

23、2，将其代入方程(3.2)，可得：将上式两边同时减去，整理得到：进一步可得：解得：(其中为任意常数) (3.20)若方程满足条件2中的条件，且则方程(3.2)的通解为 (3.21)(其中为任意常数) 例5 求方程的通解。解 令，则可得可见系数满足条件2且满足条件2中的2，即则可由通解公式得所求原方程的解为： (其中为任意常数) 3.3小结二阶变系数齐次线性微分方程转化为恰当方程，通过对观测方程的系数之间的关系，通过变量代换的方法解决降阶方程解的问题，使这个问题变得简单可行，这个方法对于满足条件的二阶变系数齐次方程适用性强，然而不具普遍性，并且对于那些相对复杂的系数我们也很难一眼看出它们之间的关

24、系，这对我们解决问题具有必然的局限性。对于二阶变系数非齐次线性微分方程，先利用上述的方法求出二阶齐次变系数线性微分方程的通解，再运用常数变易法求出它的一个特解，问题也就解决了。第4章 可降解的二阶微分方程3.1 型的微分方程对于方程 （4.1）只需积分两次，就能求出解。积分一次，得到 （4.2）再积分一次，得到 （4.3）（其中为任意常数）这就是方程的通解。例6 求方程的通解。解 积分一次，得到 , 再积分一次，得到（其中为任意常数）这就是方程的通解。4.2 型的微分方程 (4.5)这类方程的特点是方程中不明显含有未知函数，为了降阶，我们作变量代换： , (4.6)于是 (4.7)方程化为对的

25、一阶微分方程 (4.8)若能求得方程(4.8)的通解 (4.9)其中是任意常数，是它的变元的已知函数，则将它代入(4.5)后，得到。由此得方程的通解为 。例7 解解 令于是，把它们代入方程，得到 分离变量并积分，得 再将其代入有 ,再将条件代入上式，得于是再积分，得.将条件代入上式，得故得方程的解为.4.3 型的微分方程 这类方程的特点是方程中不明显含有未知函数，为了降阶，我们作变量代换： (4.10) 引进新的未知函数，但是在更换时，不能再使用(4.7)式。因为如果使用(4.7)式的话，将它和(4.11)代入(4.10)后，(4.10)化成是对的一阶微分方程。当然也不能认为是对的一阶微分方程

26、。令(4.10)之后的意图是要使在方程中彻底地不出现，而把作为自变量来处理。即从(4.10)按下面的方法算得： (4.11)将(4.10)和(4.11)代入(4.9)，于是(4.9)可化为 (4.12)这是一个对的一阶微分方程。如果能求得(4.12)的通解： (4.13)那么将它们代入(4.11),得到分离变量并积分，得即为原方程的通积分。例8 求解方程。解 因为方程不明显含有，因此可令，于是，原方程化为 由此可得由(即)，得常数，即由得到的解已经包含在上式中，因此“常数”这个解不需要另行写出。第五章 可降阶的高阶常微分方程对于某些特殊类型的高阶方程，我们可以采用降阶法求解，即把高阶方程的求解

27、问题通过变量代换转化为较低阶的方程来求解。下面我们主要介绍几类较容易降阶的高阶微分方程的求解方法。5.1 型的方程微分方程 (5.1)的右端函数仅含自变量，两边积分，得到一个阶方程再积分，得这样连续积分次，即可得到方程(5.1)的含有个任意常数的通解。例9 求方程的通解。解 对所给方程连续积分三次，得这就是所求的通解，其中为任意常数。5.2 型的方程对于方程 (5.2)只要作变量代换就可以降阶为关于的阶方程 （5.3）如果能够求得方程(5.3)的通解再解放程经过次积分，便得到方程(5.3)的通解其中为任意常数。特别地，若二阶方程不显含未知函数，(即的情形)，则用变量代换便可以把方程化为一阶方程

28、。例10 求方程的通解。解 令方程化为,这是一阶方程，分离变量且积分后得即从而其中为任意常数，这就是原方程的解。5.3 的方程方程 (5.4)的一个特点是不显含自变量，如果令，则可以将方程降低一阶，这时看作的函数，这样，就有 显然，导数可以由对的不高于阶的导数来表示，因而将其代入式(5.4)后，方程就降了一阶。 特别地，若二阶方程不显含自变量，则经上述变量代换后它就化为一阶方程了。例11 求方程的通解。解 令，则，代入方程，得 当时，方程为 变量分离后两边积分，得即 所以原方程的通解为 当时，显然是解，它被包含在通解中(对应于)5.4 型的方程 若方程 (5.5)的左端是某个函数对的导数，则方

29、程(5.5)可化为这样我们就可以把方程(5.5)降低一阶，成为之后再设法求解这个方程。例11也可以这样求解：原方程可以写为，从而，即，两边积分，即得通解例12 求方程的通解。解 方程的两端乘以因子，则有即从而则可以求得通解为(为任意常数)。总结 本文主要讨论二阶线性微分方程的降阶解法，在方程满足特定条件下，巧妙地求解二阶变系数齐次微分方程的通解。主要是通过常数变易法，运用恰当方程通过降阶法，使得变系数齐次微分方程的解法变得有效可行。使用这种方法，我们需要准确把握题目的隐含条件，对应于找到相应的解决方案，然后进入方程的常见形式解决方程的解，使得二阶变系数齐次微分方程解法变得更容易理解。文章中的降

30、阶方法尽管能够解决很多二阶常系数及变系数齐次微分方程，然而却不具普遍适用性，对于不少的二阶变系数方程的解法必定具有局限性，依旧需要大家今后在这一课题上继续努力钻研。本文在解题过程当中也利用了解决方程问题常用的一些方法，常数变易法、变量代换法、降阶法等让我们对于这些方法的研究有了更广泛运用和更深刻的理解。 致谢 至此,我的这篇论文基本完成:光阴如梭,我在大学的四年岁月也即将敲响结束的钟声。即将告别学校，离别老师及同学，步入社会， 站在人生的又一个新的起点上, 我的心中难免思绪万千, 一种离别的伤感之情在心中隐隐作痛，同时也满怀对大家深深的感恩之情。 刚开始拿到论文题目的时候，思索万千也不知道从何下笔，幸亏与我的论文指导老师程春蕊老师及时进行了沟通，在了解了我的想法之后，程老师给与了及时的辅导，并给我推荐了几本相关的书籍、资料。在本论文的写作过程中，特别感谢程老师的指导和监督，并感谢她的理解和宽容，在百忙之中抽出时问为我指导，没有程老师的悉心指导，我就不会完成现在的这篇论文。 “书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。”求学历程是艰苦的, 但又是快乐的。感谢辅导员高老师，谢谢他在这四年中为我们2011级所做的一切, 他不求回报,无私奉