《D78常系数非齐次》PPT课件.ppt

,高阶非齐次线性微分方程,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第八节,三、二阶常系数非齐次线性微分方程,一、通解的结构,二、通解的求法,四、欧拉方程,五、应用举例,一、通解的结构,是二阶非齐次方程,的一个特解,Y (x) 是相应齐次方程的通解,定理 8.1,则,是非齐次方程的通解 .,证: 将,代入方程左端, 得,复习 目录 上页 下页 返回 结束,是非齐次方程的解,又Y 中含有,两个独立任意常数,例如, 方程,有特解,对应齐次方程,有通解,因此该方程的通解为,证毕,因而 也是通解 .,机动 目录 上页 下页 返回 结束,定理 8.2,分别是方程,的特解,是方程,的特解. (非齐次方程之解的叠加原理),定理8.1, 定理8.2均可推广到 n 阶线性非齐次方程.,机动 目录 上页 下页 返回 结束,定理,是对应齐次方程的 n 个线性,无关特解,给定 n 阶非齐次线性方程,是非齐次方程的特解,则非齐次方程,的通解为,齐次方程通解,非齐次方程特解,机动 目录 上页 下页 返回 结束,常数变易法,常数变易法:,对应齐次方程的通解:,设非齐次方程的解为,代入原方程确定,对二阶非齐次方程,情形1. 已知对应齐次方程通解:,设的解为,由于有两个待定函数, 所以要建立两个方程:,机动 目录 上页 下页 返回 结束,二、通解的求法,令,于是,将以上结果代入方程 :,得,故, 的系数行列式,P10 目录 上页 下页 返回 结束,积分得:,代入 即得非齐次方程的通解:,于是得,说明:,将的解设为,只有一个必须满足的条件即方程,因此必需再附加一,个条件,方程的引入是为了简化计算.,机动 目录 上页 下页 返回 结束,情形2.,仅知的齐次方程的一个非零特解,代入 化简得,设其通解为,积分得,(一阶线性方程),由此得原方程的通解:,代入 目录 上页 下页 返回 结束,例8.1 求非齐次线性微分方程的 通解.,解：对应齐次方程特征方程为 特征根为,于是对应齐次方程的通解为,设所给方程的通解为,这是确定C1(x),C2(x)的方程组为,设所给方程的通解为,三、二阶常系数线性非齐次微分方程,根据解的结构定理 , 其通解为,求特解的方法,根据 f (x) 的特殊形式 ,的待定形式,代入原方程比较两端表达式以确定待定系数 ., 待定系数法,机动 目录 上页 下页 返回 结束,一、, 为实数 ,设特解为,代入原方程 , 得,(1) 若 不是特征方程的根,则取,从而得到特解,形式为,为 m 次多项式 .,Q (x) 为 m 次待定系数多项式,机动 目录 上页 下页 返回 结束,(2) 若 是特征方程的单根 ,为m 次多项式,故特解形式为,(3) 若 是特征方程的重根 ,是 m 次多项式,故特解形式为,小结,对方程,此结论可推广到高阶常系数线性微分方程 .,即,即,当 是特征方程的 k 重根 时,可设,特解,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例8.2 求方程 的一个特解.,解：是二阶常系数非齐次微分方程,对应齐次方程的特征方程为,由于=0不是特征根，故所给方程特解为,设所给方程的一个特解为,将它带入所给方程得,例8.3 求方程 的通解.,解：是二阶常系数非齐次微分方程,对应齐次方程的特征方程为,由于=2是单特征根，故所给方程特解为,设所给方程的一个特解为,将它带入所给方程得,对应齐次方程的通解为,n阶常系数非齐次微分方程的一般形式为,若 则上述方程具有形如,的特解，其中Qm(x)是与Rm(x)同次的多项式，而k按不是特征根和是r重根分别取0和r.,例8.5 求方程 的通解.,解：是四阶常系数非齐次微分方程,对应齐次方程的特征方程为,由于=0是二重特征根，故所给方程特解为,所给方程的一个特解为,将它带入所给方程得,对应齐次方程的通解为,二、,第二步 求出如下两个方程的特解,分析思路:,第一步 将 f (x) 转化为,第三步 利用叠加原理求出原方程的特解,第四步 分析原方程特解的特点,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第一步,利用欧拉公式将 f (x) 变形,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第二步 求如下两方程的特解,是特征方程的 k 重根 ( k = 0, 1),故,等式两边取共轭 :,为方程 的特解 .,设,则 有,特解:,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第三步 求原方程的特解,利用第二步的结果, 根据叠加原理, 原方程有特解 :,原方程,均为 m 次多项式 .,机动 目录 上页 下页 返回 结束,第四步 分析,因,均为 m 次实,多项式 .,本质上为实函数 ,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例8.6 求方程 的通解.,解：二阶常系数非齐次微分方程,对应齐次方程的特征方程为,由于 不是特征根，故所给方程特解为,于是所给方程的一个特解为,带入所给方程得,对应齐次方程的通解为,例8.7 求 满足 的特解.,解：二阶常系数非齐次微分方程,对应齐次方程的特征方程为,由于 是单特征根，故所给方程特解为,所给方程的一个特解为,带入所给方程得,对应齐次方程的通解为,由初始条件得C1=0,C2=1,例8.8 (RLC电路) 在一个由电阻R,电感L,电容C和电源E组成的闭合回路中(如图)，电源电动势E=100sin60t(V)，电阻R=2()，电感L=0.1(H)，电容C=1/260(F). 如果开始时电路中的电流为零，电容器上的电荷量为零，求该电路接通后电容器上的电荷量随时间的变化关系.,解：设时刻t该回路中的电流为I(t)，电容器上的电荷量为Q(t). 有基尔霍夫定律得,由电学知识有,由题意知初始条件为,是二阶常系数非齐次线性微分方程，f(t)=1000sin60t,由于 不是特征根，故所给方程特解为,带入所给方程得,对应齐次方程的通解为,对应齐次方程特征方程为,所给方程的一个通解为,由初始条件得C1=30/61,C2=36/61,n阶常系数非齐次微分方程,具有形如,的特解，其中Qm(x)是m次多项式， 而k按 不是特征根和是r重根分别取0和r.,例8.9 求 的通解.,解：三阶常系数非齐次微分方程,由于 不是特征根，故所给方程特解为,所给方程的一个特解为,带入所给方程得,对应齐次方程的通解为,机动 目录 上页 下页 返回 结束,常系数线性微分方程,四、欧拉方程,欧拉方程的算子解法:,则,计算繁!,机动 目录 上页 下页 返回 结束,则由上述计算可知:,用归纳法可证,于是欧拉方程,转化为常系数线性方程:,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例8.10 求 的通解.,解：作变换 即 所给方程化为,由于 不是特征根，故所给方程特解为,所给方程的一个特解为,带入所给方程得,对应齐次方程的特征方程为,例1.,解:,则原方程化为,亦即,其根,则对应的齐次方程的通解为,特征方程,机动 目录 上页 下页 返回 结束, 的通解为,换回原变量, 得原方程通解为,设特解:,代入确定系数, 得,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例2.,解:,将方程化为,(欧拉方程),则方程化为,即,特征根:,设特解:,代入 解得 A = 1,所求通解为,机动 目录 上页 下页 返回 结束,常数, 则该方程的通解是 ( ).,设线性无关函数,都是二阶非齐次线,性方程,的解,是任意,例.,提示:,都是对应齐次方程的解,二者线性无关 . (反证法可证),(89 考研 ),机动 目录 上页 下页 返回 结束,例.,已知微分方程,个解,求此方程满足初始条件,的特解 .,解:,是对应齐次方程的解,且,常数,因而线性无关,故原方程通解为,代入初始条件,故所求特解为,有三,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例1.,的一个特解.,解: 本题,而特征方程为,不是特征方程的根 .,设所求特解为,代入方程 :,比较系数, 得,于是所求特解为,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例2. 求解定解问题,解: 本题,特征方程为,其根为,设非齐次方程特解为,代入方程得,故,故对应齐次方程通解为,原方程通解为,由初始条件得,机动 目录 上页 下页 返回 结束,于是所求解为,解得,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例4,的一个特解 .,解: 本题,特征方程,故设特解为,不是特征方程的根,代入方程得,比较系数 , 得,于是求得一个特解,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例5.,的通解.,解:,特征方程为,其根为,对应齐次方程的通解为,比较系数, 得,因此特解为,代入方程:,所求通解为,为特征方程的单根 ,因此设非齐次方程特解为,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例6.,解: (1) 特征方程,有二重根,所以设非齐次方程特解为,(2) 特征方程,有根,利用叠加原理 , 可设非齐次方程特解为,设下列高阶常系数线性非齐次方程的特解形式:,机动 目录 上页 下页 返回 结束,思考与练习,时可设特解为,时可设特解为,提示:,1 . (填空) 设,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2. 已知二阶常微分方程,有特解,求微分方程的通解 .,解: 将特解代入方程得恒等式,比较系数得,故原方程为,对应齐次方程通解:,原方程通解为,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例8.11,解:,由第七节例1 (P293) 知, 位移满足,质量为m的物体自由悬挂在一端固定的弹簧上,在无外力作用下做自由运动,初始,求物体的运动规律,立坐标系如图,设 t = 0 时物体的位置为,取其平衡位置为原点建,因此定解问题为,自由振动方程 ,机动 目录 上页 下页 返回 结束,五、应用举例,方程:,特征方程:,特征根:,利用初始条件得:,故所求特解:,方程通解:,1) 无阻尼自由振动情况 ( n = 0 ),机动 目录 上页 下页 返回 结束,解的特征:,简谐振动,A: 振幅, : 初相,周期:,固有频率,机动 目录 上页 下页 返回 结束,(仅由系统特性确定),方程:,特征方程:,特征根:,小阻尼: n k,这时需分如下三种情况进行讨论:,2) 有阻尼自由振动情况,大阻尼: n k,临界阻尼: n = k,解的特征,解的特征,解的特征,机动 目录 上页 下页 返回 结束,( n k ),小阻尼自由振动解的特征 :,由初始条件确定任意常数后变形,运动周期:,振幅:,衰减很快,随时间 t 的增大物体 趋于平衡位置.,机动 目录 上页 下页 返回 结束,( n k ),大阻尼解