二阶常系数非齐次线性微分方程待定系数法求特解

本文介绍了待定系数法在不同函数形式下的应用,包括多项式、指数、正弦余弦函数的特解设定,以及如何通过构造线性组合来求解问题。关键步骤包括假设特解形式和确定常数项。

        待定系数法仅当f(x)及其所有导数可写成由有限个线性无关函数构成的集合(记为{y1(x),y2(x),..,yn(x)}的形式)时适用,此方法假定特解有如下形式:

yp(x) = A1y1(x) + A2y2(x)+....+ Anyn(x)

其中A1,A2,...,An 是任意常数。

        情况1:

        f(x) = Pn(x),x的n次多项式形式,假定解形式如下:

        yp = Anx^n + An-1 x^n-1+...+A1x+A0,其中A0,A1....An为待定常数。

        情况2:

        f(x) = ke^αx,其中k,α为已知常数,假定解的形式数学:

        yp = Ae^αx,其中A是待定常数

        情况3:

        f(x) = k1sinβx + k2cosβx,其中k1,k2,β为已知常数,假定解的形式数学:

        yp = Asinβx + Bcosβx,A,B为待定常数

<think>我们被要搜索关于二阶常系数线性非齐次微分方程特解的设解方法。用户意图:了解如何设定特解(即待定系数法或常数变易法等)搜索词:二阶常系数线性非齐次微分方程特解设解方法根据专业数学知识,特解的设定主要依赖于非齐次项f(x)的形式。常用的方法是待定系数法(适用于特定形式的f(x))和常数变易法(通用方法)。但待定系数法更常用,尤其是当f(x)是指数函数、多项式、三角函数及其组合时。我们将通过搜索获取更具体的信息,并整合成步骤。注意:回答中避免使用第一人称,避免步骤词汇(如首先、然后),将答案组织为多个方法或步骤,每个步骤间换行。检索后,我们得知:1.待定系数法:根据f(x)的类型,设定相应形式的特解(含待定系数),然后代入原方程确定系数。2.常见f(x)对应的特解形式:-多项式:设特解为同次多项式(若特征根不为0,则直接设;若0是特征根,则乘以x^k,k为0作为特征根的重数)-指数函数:设特解为同类型指数函数(若指数不是特征根,则设为Ae^{λx};若是单特征根,则Axe^{λx};若是重特征根,则Ax^2e^{λx})-三角函数:如cos(βx)或sin(βx),可设为Acos(βx)+Bsin(βx)(若βi不是特征根);若βi是特征根,则乘以x。-组合形式:乘积形式,如多项式乘以指数函数,则特解设为多项式乘以指数函数(同样考虑特征根的情况)3.常数变易法:先出齐次通解,然后令特解为y_p=v1(x)y1+v2(x)y2,其中y1,y2是齐次解的两个线性无关解,然后通过解方程组得到v1和v2。由于待定系数法更常用,我们重点整理待定系数法,并简要提及常数变易法。我们按照要生成答案:</think>### 二阶常系数线性非齐次微分方程特解设解方法 对于方程: $$y'' + p y' + q y = f(x) \quad (p,q \text{为常数})$$ 特解 $y_p$ 的设定取决于非齐次项 $f(x)$ 的形式,核心方法是**待定系数法**: #### 1. 指数函数型 $f(x) = e^{kx}$ - **当 $k$ 不是特征根**: $$y_p = A e^{kx}$$ - **当 $k$ 是单特征根**: $$y_p = A x e^{kx}$$ - **当 $k$ 是二重特征根**: $$y_p = A x^2 e^{kx}$$ 代入方程确定系数 $A$ #### 2. 多项式型 $f(x) = P_n(x)$ ($n$次多项式) - **当 $0$ 不是特征根**: $$y_p = Q_n(x) \quad (\text{同次多项式})$$ - **当 $0$ 是单特征根**: $$y_p = x Q_n(x)$$ - **当 $0$ 是二重特征根**: $$y_p = x^2 Q_n(x)$$ 设 $Q_n(x) = a_n x^n + \cdots + a_0$,代入比较系数 #### 3. 三角函数型 $f(x) = a\cos \omega x + b\sin \omega x$ - **当 $i\omega$ 不是特征根**: $$y_p = A\cos \omega x + B\sin \omega x$$ - **当 $i\omega$ 是特征根**: $$y_p = x(A\cos \omega x + B\sin \omega x)$$ 代入方程确定 $A,B$ #### 4. 混合型 $f(x) = e^{kx}P_n(x)$ $$y_p = e^{kx} Q_n(x)$$ 再根据 $k$ 是特征根的重数乘以 $x^m$ ($m=0,1,2$) #### 5. 常数变易法(通用方法) 当 $f(x)$ 形式复杂时: 1. 先齐次解 $y_h = C_1 y_1 + C_2 y_2$ 2. 设特解 $y_p = v_1(x) y_1 + v_2(x) y_2$ 3. 解方程组: $$ \begin{cases} v_1' y_1 + v_2' y_2 = 0 \\ v_1' y_1' + v_2' y_2' = f(x) \end{cases} $$ 4. 积分 $v_1(x), v_2(x)$ #### 计算示例 解 $y'' + y = \sin x$: 1. 特征方程 $r^2 + 1 = 0$ → $r = \pm i$ 2. $f(x) = \sin x$,$i\omega = i$ 是特征根 3. 设 $y_p = x(A\cos x + B\sin x)$ 4. 代入原方程: ```python from sympy import symbols, sin, cos, diff, solve x = symbols('x'); A, B = symbols('A B') yp = x*(A*cos(x) + B*sin(x)) # 计算二阶导数 d2y = diff(yp, x, 2) # 代入方程 y'' + y = sin(x) eq = d2y + yp - sin(x) # 展开并合并同类项 eq_expanded = eq.expand() # 提取系数 coeffs = eq_expanded.collect([sin(x), cos(x)]) # 解方程组 solve([coeffs.coeff(sin(x)), coeffs.coeff(cos(x))], [A, B]) ``` 输出:$\left\{ A : -\frac{1}{2}, B : 0\right\}$ → $y_p = -\frac{x}{2}\cos x$
评论
成就一亿技术人!
拼手气红包6.0元
还能输入1000个字符
 
红包 添加红包
表情包 插入表情
 条评论被折叠 查看
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值