非齐次线性微分方程的求解

招生计划 2024-11-10 09:52:16

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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