高等数学（第二版）下册课件：二阶常系数线性微分方程

二阶常系数线性微分方程

.9.6.1二阶常系数齐次线性微分方程解的结构9.6.2求解常系数齐次线性微分方程的通解9.6.3二阶常系数非齐次线性方程解的结构9.6.4求几种特殊形式的非齐次方程的解9.6.1二阶常系数齐次线性微分方程解的结构二阶常系数齐次线性微分方程的形式是我们首先讨论二阶线性微分方程通解的结构。定理9.1（解的跌加原理）如果函数都是二阶常系数线性齐次方程（9.22）的解，则其线性组合（9.22）也是方程(9.22)的解，其中

是任意常数证明:将代入二阶常系数齐次线性微分方程的左边，得所以

是方程(9.22)的解.

是二阶常系数齐次线性微分方程(9.22)的解又含有两个任意常数，那么它是否就是方程的通解呢？我们看一个简单例子.【例9.6.1】验证

是方程的解，但

不是方程的通解证明：

将

代入，知它们都是方程但因此不能作为方程的通解.这个例子表明，一般不能将方程

任意两个解的组合作为通解.的解，故

也是方程的解.定义9.4（函数的线性相关性）如果存在不全为零的常数

使得则称

与

线性相关当且仅当

时，

才成立，则称

与

线性无关．定理9.2

如果函数

与

是二阶常系数线性齐次方程例如

与

是方程的两个线性无关的特解，此时

就是方程的通解.(9.22)的两个线性无关的特解，则

为该方程的通解．9.6.2求二阶常系数齐次线性微分方程的通解由定理9.2可知，求二阶常系数线性齐次方程(9.22)的通解，可归为求方程的两个线性无关的特解.求方程(9.22)的特解，就是找出一个函数y,使得

各乘一个常数因子后的代数和等于零，即特解之间只差一个常数倍.所有的初等函数中只有指数函数具有这样的性质，则适当选取指数函数

中指数

，看能否满足齐次方程(9.22)．将

代入方程(9.22)，得因为

，所以有（9.23）一元二次方程(9.23)称为齐次方程(9.22)的特征方程．特征方程的解称为特征根．由于特征方程的特征根有三种不同情形，因此需要分三种情形讨论方程

的通解．I)特征根是两个不相等的实根的情形当特征方程的判别式

时，有两个不相等的实根：这时齐次方程(9.22)有两个线性无关的特解：因此齐次方程(9.22)的通解为【例9.6.2】求方程

的通解.分析：先求出特征根，若不同，则可写出通解解：特征方程为特征根为

，

.故所求微分方程的通解为II)特征根是重根的情形当特征方程(9.23)的判别式时

时，(可得

）这时，齐次方程(9.22)只有一个特解：.为了得

到另一个与

线性无关的特解，可设

(

是待定的函数).将

代入原方程且因r是特征方程的重根，有可得到

选取最简单的一个函数

故也是齐次方程(9.22)的解,因为不是常数.所以齐次方程(9.22)的通解为【例9.6.3】求方程

的通解．分析：方程有两个相同的根，通解为解：方程对应的特征方程为特征根为是两个相等的实根．则方程的通解为III)特征根是一对共轭复根的情形当特征方程(9.23)的判别式

时，有一对共轭复根：这时方程

的两个线性无关特解为为了得到方程在实数域内的通解，利用欧拉公式

有利用定理9.1解的叠加原理有也是齐次方程(9.22)的解，且

不是常数即

线性无关，因此齐次方程(9.22)的通解为【例9.6.4】求方程

的通解．分析：

，所以通解是解：方程对应的特征方程为

特征根为

，是一对共轭的复根．则方程的综上所述，二阶常系数齐次线性微分方程

的通解求法如下：通解为第一步，写出微分方程的特征方程

.第二步，求特征方程的根.第三步，根据三种不同情形按表9-1写出微分方程的通解.特征方程根的情形微分方程

的通解(1)有两个不相等的实根(2)重根(3)一对共轭复根

表9-1

9.6.3二阶常系数非齐次线性微分方程解的结构二阶常系数非齐次线性微分方程的一般形式是其中

为常数，且

不恒为0．通常称方程(9.22)为方程(9.21)对应的齐次方程．与一阶线性微分方程解的结构类似，二阶常系数非齐次线性微分方程的通解也由两部分构成：一部分是对应的齐次方程的通解，另一部分是非齐次方程本身的一个特解．定理9.3特解，Y是对应的齐次方程(9.22)的通解，那么

是方程(9.21)的通解.设是二阶常系数非齐次线性微分方程方程(9.21)的一个证明:因为

是方程的

的一个特解，所以又Y是相应的齐次方程的通解，因此将

代入方程(9.21)的左端，得所以

是非齐次微分方程(9.21)的通解.定理9.4（迭加原理）的解，则

是方程设

分别是方程的解.证明：由

与

相加即得所以定理的结论成立．9.6.4求几种特殊形式的非齐次方程的解下面介绍当为下列特殊形式时特解的求法．I）

的情形此时，二阶常系数线性非齐次方程为其中

为一个n次多项式：因为方程中p，q均为常数且多项式的导数仍为多项式，所以可以推测，的特解的形式为其中

与

是同次多项式，

k的取值原则是是使得等式两边x的最高阶的幂次相同，具体做法如下：(1)当

时，取

．(2)当

，但

时，取

．(3)当

，且

时，取

.将所设的特解代入原方程，使等式两边x同次幂的系数相等，从而确定

的各项系数，便得到所求之特解.【例9.6.5】求方程

的通解分析：先求对应齐次方程的通解，因为右边是一次多项式，且

，则设特解也为一次多项式.解：对应齐次方程的特征方程为特征根为则对应的齐次方程的通解为因为

，故设非齐次方程的特解为代入原方程整理得比较两端x的同次幂的系数，有得

，于是求得非齐次方程的一个特解为则所求方程的通解为II)

的情形方程右端是多项式和指数函数的乘积，而多项式和指数函数乘积的导数仍然是多项式和指数函数的乘积，故可以推测

(

是某次多项式)可能是方程（1）的一个特解，那么

该如何选取，才能使

是方程的特解呢？将代入方程（9.24）整理得即（1）如果不是对应的齐次方程的特征根，即，

因为表达式（9.25）右端是m次多项式，左端中多项式

的次数最大，要使左右两端相等，则

也应该是m令代入方程（9.25）中比较两端x的同次幂的系数，从而可以确定

，则可以得到方程的特解为（2）如果是对应的齐次方程的单根，即，

但

，因为表达式（9.25）右端是m次多项式，左端中多项式

的次数最大，要使左右两端相等，则

应该是m+1次的多项式，令代入方程（9.25）中比较两端x的同次幂的系数，从而可以确定

，则可以得到方程的特解为（3）如果是对应的齐次方程的二重根，即因为

表达式（9.25）右端是m次多项式，左端中多项式

的次数最大，要使左右两端相等，则应该是m+2次的多项式，令代入方程（9.25）中比较两端x的同次幂的系数，从而可以确定

，则可以得到方程的特解为综上所述，方程

具有形如

的特解，其中

不是特征根时，k=0；

是单根时，k=1；是二重根时，k=2．【例9.6.6】求方程

的特解．分析：判断

是不是特征方程的根，从而设出非齐次方程的特解.解:因为

是特征方程的单根，设非齐次方程的特解为代入原方程整理得即

，于是求得非齐次方程的一个特解为则所求方程的通解为*【例9.6.7】求方程

的通解．分析：先求对应齐次的通解，然后根据

是不是特征方程的根，从而设出非齐次方程的特解.解:对应齐次方程的特征方程为特征根为

，则对应的齐次方程的通解为因为

是特征方程的二重根，设非齐次方程的特解为代入原方程整理得比较两端x的同次幂的系数，有

，于是求得非齐次方程的一个特解为则所求方程的通解为III)

的情形此时二阶常系数线性非齐次方程为其中α，ω，A，B均为常数．因为方程中

均为常数,且指数函数的导数仍为指数函数，正弦函数与余弦函数的导数仍是正弦函数与余弦函数，因此可推断原方程具有如下形式的特解:其中C，D为待定常数．k取值0或1.具体方法如下：(1)当

不是特征方程的根时，取

．(2)当

是特征方程的根时，取

.【例9.6.8】求方程

的通解．分析：先求对应齐次的通解，然后根据是不是特征方程的根，从而设出非齐次方程的特解.解：对应齐次方