第七章微分方程7.4高阶线性

机动目录上页下页返回结束高阶线性微分方程解的结构第四节一、线性齐次方程解的结构二、线性非齐次方程解的结构

三、常数变易法

第七章n

阶线性微分方程的一般形式为为二阶线性微分方程.时,称为非齐次方程;时,称为齐次方程.复习:

一阶线性方程通解:非齐次方程特解齐次方程通解Y机动目录上页下页返回结束证毕一、线性齐次方程解的结构是二阶线性齐次方程的两个解,也是该方程的解.证:代入方程左边,得(叠加原理)

定理1.机动目录上页下页返回结束说明:不一定是所给二阶方程的通解.例如,是某二阶齐次方程的解,也是齐次方程的解并不是通解但是则为解决通解的判别问题,下面引入函数的线性相关与线性无关概念.机动目录上页下页返回结束定义:是定义在区间I

上的

n个函数,使得则称这

n个函数在I

上线性相关,否则称为线性无关.例如，

在(,)上都有故它们在任何区间I

上都线性相关;又如，若在某区间

I

上则根据二次多项式至多只有两个零点,必需全为0,可见在任何区间

I

上都线性无关.若存在不全为

0

的常数机动目录上页下页返回结束两个函数在区间

I

上线性相关与线性无关的充要条件:线性相关存在不全为0的使(无妨设线性无关常数思考:中有一个恒为0,则必线性相关(证明略)线性无关机动目录上页下页返回结束定理2.是二阶线性齐次方程的两个线性无关特解,则数)是该方程的通解.例如,方程有特解且常数,故方程的通解为(自证)

推论.是

n

阶齐次方程的n

个线性无关解,则方程的通解为机动目录上页下页返回结束二、线性非齐次方程解的结构

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3.则是非齐次方程的通解.证:

将代入方程①左端,得②①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②也是通解.机动目录上页下页返回结束定理4.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3,定理4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5.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,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1.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2.

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三、常数变易法复习: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③的解为③由于有两个待定函数,所以要建立两个方程:④机动目录上页下页返回结束⑤令于是将以上结果代入方程①:得⑥故⑤,⑥的系数行列式是对应齐次方程的解P10目录上页下页返回结束积分得:代入③即得非齐次方程的通解:于是得说明:将③的解设为只有一个必须满足的条件即方程③,因此必需再附加一个条件,方程⑤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③的齐次方程的一个非零特解代入③化简得设其通解为积分得(一阶线性方程)由此得原方程③的通解:代入③目录上页下页返回结束例3.的通解为

的通解.解:

将所给方程化为:已知齐次方程求利用⑤,⑥建立方程组: