非齐次线性微分方程是指形如:
非齐次线性微分方程的求解
y' + p(x)y = g(x)
的微分方程,其中 p(x) 和 g(x) 是给定的函数。求解此类方程涉及两个步骤:求解齐次方程和求解非齐次方程。
齐次方程
y' + p(x)y = 0
其通解为:
y = c e^(-∫p(x)dx)
其中 c 是任意常数。
非齐次方程
y' + p(x)y = g(x)
其通解为:
y = y_h + y_p
其中 y_h 是齐次方程的通解,y_p 是非齐次方程的特殊解。
求解 y_p 的方法有多种,常用的方法包括:
变系数法:将 y_h 代入非齐次方程,得到关于 v 的一阶线性齐次微分方程。解得 v 后,y_p = v y_h。 消灭未知数法:假设 y_p = u y_h,其中 u 是待求函数。将此形式代入微分方程,解得 u。然后,y_p = u y_h。 不确定系数法:假设 y_p 是 g(x) 的一个多项式、指数或三角函数。将此形式代入微分方程,求解系数。
求得 y_p 后,非齐次方程的通解就确定了。
例题
求解微分方程:
y' + 2xy = x^2
解:
齐次方程:y' + 2xy = 0,通解:y = ce^(-x^2)。
非齐次方程:y' + 2xy = x^2,使用不确定系数法:
假设 y_p = Ax^2 + Bx + C,代入方程得:
2Ax + 2B = x^2 2A = 0 2B = 1
解得:A = 0,B = 1/2,C = 0。
因此,y_p = (1/2)x^2。
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