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文档简介
§4.2
内容回顾dtnnd
xn1d
x1
a
(t)dtn1
an
(t)x
f
(t)1n1d
xnd
x1
a
(t)dtn1n
a
(t)x
0dtn2x(t)
c1x1
(t)
c2
x2
(t)
cn
xn
(t)x(t)
c
x
(t)
c
x
(t)
c
x
(t)
~x
(t)1
1
2
2
n
n方程类型L[x]
f
(t)
L[x]
0F()
n
a
n1
a
01
n基本解组或通解常数变易法特解相加比较系数法拉
斯变换法求解方法本节内容/Contents/几类可降阶高阶方程幂级数解法(求特解)1)
方程不显含未知函数
x
及
x,
x
,,
x(k
1)F
(t,
x,
x,,
x(n)
)
0F
(t,
x(k
)
,
x(k
1)
,,
x(n)
)
01
k
n则方程可降为
n
k
阶的方程,即可降
k
阶§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method4.3.1
可降阶的方程的类型n
阶方程的一般形式
y
则令
x(k
)F
(t,
y,
y,,
y(nk
)
)
0(4.58)y
(t,
c1
,
c2
,,
cnk
)方法(4.58)
的通解若可求得x(k
)
y
(t,
c1
,
c2
,,
c
)nk逐次积分k
次,可得原方程的通解。§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
MethodF
(t,
x,
x
)
0x
y,
x
yF
(t,
y,
y)
0y
(t,
c1)x
(t,
c1
)积分,可得原方程的通解x
(t,
c1,
c2
)特别,对于二阶方程§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method解
令t
dt4d
5
x
1
d
4
x求方程
dt5d
4
x
ydt4dt
0
的通解。y
1
y
0t11t
c
t1y
c
ex(4)1
c
t2x(3)
cc
1
t
2232x(2)6
c1
t
3
c t
c例143x
c1
t
4
c2
t
2
c
t
c24
2
ct
cx
ct
5
ct
3
ct
21
2
34
5§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method2)不显含自变量
t
的方程F
(x,
x,,
x(n)
)
0(4.59)
可降低一阶方法
令x
yx
d
(x)
d
y
dy
dx
y
dy
dt
dt
dx
dt
dxx
d
(
ydy)
d
(
y
dy)
dxdx2
y
2d
2ydydx2
dxdxdy)2dx
dx
dtd
2
y)
y()2dt
dx
y((
y§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method假定)
fdx
dt
dxdxn2dt
dx
d
f
(
y,
dy
,,
d
n2
y
dx(n)将x,
x
,,
x(n)(4.59)(n2)
)x
xdx
y
d
(
f
(
y,
y
,,
y代入原方程x(n1)d
n2
ydxn2dxdy
f
(
y,
,,)
f
(
y,
y
,,
y
(n1)
)1
x
x§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
MethodG(x,
y,
dy
,,
d
n1
y
)
0dxdxn1降低一阶y
(x,
c1
,
c2
,,
cn1
)dt分离变量,可得原方程的解。1
2n1y
dx
x
(x,
c
,
c
,,
c
)§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method例2
求解方程§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Methodxx
(x)2
0x
yx
y
dydxx
y
dy
y
2
0dxy
0或dxx
dy
y解令dy
dx
y
x1ln
y
ln
x
cxy
c1xx
c11xdx
c
dt211
x
22
c
t
c21x
2
2c
t
2cy
0
x
0x2
2c
t
2c1x
c2§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method已知(4.2)的k
个线性无关的特解,则(4.2)可降低k阶,即可得到n-k
阶的齐次线性方程。特别地,如果已知(4.2)的n-1
个线性无关的解,则(4.2)的基本解组可以求得。§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method3)
齐次线性方程n1d
x1
a
(t)dtn1n
a
(t)x
0dtn结论nd
x(4.2)§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method方法
设
x1
,
x2
,,
xk
是(4.2)的
k
个线性无关的解xi
0,
i
1,2,,
kan
x
xk
yan1
x
xk
y
xk
y(n1)
y
xk
kx(n1)
x
y(n1)an2
x
xk
y
2xk
y
xk
y令k
k
k
kx(n)
x
y(n)
nx
y(n1)
n(n
1)
x
y(n2)
x
(n)
ya12
an
(t)xk
]y
0k[x令§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Methodx
y(n)
(nx
a
(t)x
)y(n1)
k
k
1
k
a
(t)x
(n1)
a
(t)x
(n2)(n)1
k
2
ky
zn1(t)z
0z(n1)
b
(t)z(n1)
b1(4.67)kxn-1阶线性方程z
y
(
x
)k
或
x
xzdt可将(4.2)化为n1阶线性方程同理,对于(4.67)
就知道了k
1个非零解ix
(
xi)i
1,2,,
k
1zz(n1)
b
(t)z(n1)
b
(t)z
01
n1(4.67)2
21
1
z
k
zk
1
k
1
2211)
)
(
(kk
1k
kx且其线性无关,z
0(
xk
1
)
0xxxx1
1
2
2kk
1
xk
1
)]
0x[
1
(
x
x
1x1
2
x2
k
1xk
1
k
xkxi
,i
1,2,,k
线性无关,1
2
k
0§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method类似地,令
u
z
k
1
z
或z
zk
1udt
c
(t)u(n3)
c
(t)u
01
n2u(n2)k
1izi
1,2,,
k
2u
(
zi
)
线性无关的解,继续下去,得到一个n-k阶的线性齐次方程若k=n-1,则可得到1阶线性齐次方程,则可求得通解。§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Methodx
1令x
x1
ydtx
x1
ydt
x1
yx
x1
ydt
x1y
x1y
x1
y
x1
ydt
2x1y
x1
y若知其一非零解
x
x1
0
,则可求得通解。y
(
x
)§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method特别,对于二阶齐次线性方程d
2
x
dt2
dt
q(t)x
0x1
ydt
2x1y
x1
y
p(t)x1
ydt
p(t)x1
y
q(t)x1
ydt
0x1
y[2x1
p(t)x1]y
0yy
2x1
p(t)x1x112
x
p(t
)
x1dty
c
e
c
ex1[2
1x1(t
)dt
]11
c
eln
xx21
e
p
(t
)dt
c1
e
p
(t
)dt121§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Methodx21y
c1
e
p(t
)dt基解组为1
e
p
(
t
)
dt
d
txx211x1
,通解1
e
p(t
)dtdt]x(t)
x1[c1
c2x21x
xydt1P.113§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method例4
已知
x
sin
ttt是方程
x
2
x
x
0解的解,试求方程的通解。p(t)
2sin2
tt
2tsin
ttx
(c1
c2
t
e
dt)12
dt
c2
sin2
t
sin
t
(cdt)t11tt12
12
sin
t
(c
c
ctgt)
1
(c
sin
t
c
cost)§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method4.3.2
二阶线性方程的幂级数解法(求特解)解为方程的解设
y
a
a
x
a
x2
anxn012a0
0y(0)
0例5dx求方程dy
y
x
的满足初始条件y(0)
0
的解。y
a
x
a
x2
a
x3
anxn
1
2
3xn
y
a
2a
x
3a
x2
na
xn1
(n
1)a1
2
3
nn1
(
a x
a x
2
a
xn
)
x1
2
n
(a
1)x
a
x2
a
xn
1
2
n1a
0,22
a
1,22
(a
1)x
a
x2
a
xn
1
2
na
1§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Methoda
2a
x
3a
x2
na
xn1
(n
1)a xn
1
2
3
n
n1nn1(n
1)a
aa
n
1ann
11(n
1)n3(n
1)!1112a
a
n1a
n
1
(n
1)na
n1n
1
n!nan
2
,
3
,
n!na
1
§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Methodn
2
,
3
,2!
3!
xn
)y
(x2
x31!
2!
n!n!
xn
)
1
x
(1
x
x2
1
x
exy
edx
(edx
xdx
c)
ex
(ex
xdx
c)
ex
(e
x
x
e
x
c)
x
1
cexy
ex
x11
c
0,
c
1§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Methody
2xy
4
y
0的满足初始条件y(0)
0解
设级数解为y(0)
1
的解。y
a
a
x
a
x2
a
xn
0
1
2na0
0,
a1
1y(0)
1
所以
na
xy
x
x
a
x
a x3
a
xn
n22
3
n由于y(0)
0n2
nn2n1y
1na
xy
n(n
1)an
xn2n2例8求方程
2x(1
nan
xn1
)
4(x
an
xn
)
0n2
n2n2n2nn(n
1)a
xn2n2n2n
4an
)xn
0
6x
(2nann(n
1)a
x0次项系数1次项系数2!a2
0
2
次项系数3!a3
6
0
a3
1(n
2)(n
1)an2
(2n
4)an
0a2
0§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Methodn
为偶数时,即n
=2
ka2k
a2
02k
12k
12k
3k
112(k
1)2a
a
a2(k
1)12(k
1)1(k
1)1aa2k
12k
1a
1
aknna
a(2n
4)(n
2)(n
1)2(n
1)a
n2,由上述递推公式得n
为奇数时,即n
=2k+1§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Methody
x
(1
x31!
1
x5
1
x7
1
x2k
1
)2!
3!
k!
x(1
x2
1
x4
1
x6
1
x2k
)2!
3!
k!2
xexk!a2k
1
12ka
0k!
k!k1k(k
1)2k
3
32k
12k
1a
1
a
a
1
a
1§4.3
Step-down
Order
Method
and
Series
Method例7
求初值问题dxx2
dy
y
x解
设n
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