高阶常系数线性微分方程、欧拉方程(IV).ppt

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1、 一元微积分学,大 学 数 学（一）,第三十讲 一元微积分的应用(六),脚本编写：刘楚中,教案制作：刘楚中,微积分在物理中的应用,第七章 常微分方程,本章学习要求：,了解微分方程、解、通解、初始条件和特解的概念.了解下列几种一阶微分方程：变量可分离的方程、齐次方 程、一阶线性方程、伯努利（Bernoulli）方程和全微分 方程.熟练掌握分离变量法和一阶线性方程的解法.会利用变量代换的方法求解齐次方程和伯努利方程.知道下列高阶方程的降阶法：,了解高阶线性微分方程阶的结构，并知道高阶常系数齐线 性微分方程的解法.熟练掌握二阶常系数齐线性微分方程的解法.掌握自由项（右端）为多项式、指数函数、正弦函数

2、、余 弦函数以及它们的和或乘积的二阶常系数非齐线性微分方 程的解法.,第五节 二阶常系数线性微分方程,特征方程,特征根,一、二阶常系数齐次线性微分方程,形如,的方程，称为二阶常系数齐线性微分方程，,即,二阶常系数齐线性微分方程,的特征方程为,是方程(1)的两个线性无关的解，故方程(1)的通解为,二阶常系数齐线性微分方程,的特征方程为,由求根公式,由刘维尔公式求另一个解：,于是，当特征方程有重实根时，方程(1)的通解为,二阶常系数齐线性微分方程,的特征方程为,3)特征方程有一对共轭复根：,是方程(1)的两个线性无关的解，其通解为,由线性方程解的性质：,均为方程(1)的解，且它们是线性无关的：,故

3、当特征方程有一对共轭复根,时，原方程的通解可表示为,二阶常系数齐线性微分方程,特征方程,特 征 根,通 解 形 式,解,解,解,故所求特解为,解,解,取 x 轴如如图所示。,由力学的虎克定理，有,（恢复力与运动方向相反）,由牛顿第二定律，得,记拉长后，突然放手的时刻为,我们要找的规律是下列初值问题的解：,从而，所求运动规律为,二、n 阶常系数齐线性微分方程,形如,的方程，称为 n 阶常系数齐线性微分方程，,n 阶常系数齐线性微分方程的特征方程为,解,解,在研究弹性地基梁时，遇到一个微分方程,试求此方程的通解。,三、二阶常系数非齐线性微分方程,形如,的方程，称为二阶常系数非齐线性微分方程，,它对

4、应的齐方程为,我们只讨论函数 f(x)的几种简单情形下，(2)的特解。,常系数非齐线性微分方程算子解法,方程(2)对应的齐方程(1)的特征方程及特征根为,单根,二重根,一对共轭复根,假设方程,有下列形式的特解：,则,代入方程(2)，得,即,由方程(3)及多项式求导的特点可知，应有,方程(2)有下列形式的特解:,由多项式求导的特点可知，应有,方程(2)有下列形式的特解:,由多项式求导的特点可知，应有,方程(2)有下列形式的特解:,当二阶常系数非齐线性方程,它有下列形式的特解：,其中：,解,对应的齐方程的特征方程为,特征根为,对应的齐方程的通解为,将它代入原方程，得,比较两边同类项的系数，得,故原

5、方程有一特解为,综上所述，原方程的通解为,解,对应的齐方程的特征方程为,特征根为,对应的齐方程的通解为,将它代入原方程，得,上式即,故原方程有一特解为,综上所述，原方程的通解为,解,综上所述，原方程的通解为,解,代入上述方程，得,从而，原方程有一特解为,解,代入上述方程，得,比较系数，得,从而，原方程有一特解为,故,解,由上面两个例题立即可得,解,对应的齐次方程的通解为,将它代入此方程中，得,从而，原方程有一特解为,故原方程的通解为,四、欧拉方程,形如,的方程，称为 n 阶欧拉方程，其中,关于变量 t 的常系数线性微分方程。,引入算子记号：,由数学归纳法可以证明：,解,这是三阶欧拉方程，,作代数运算后，得,即,这是一个三阶常系数线性非齐微分方程，且,方程(1)对应的齐方程的通解为,为方程(1)特解形式，代入方程(1)中，得,从而,故原欧拉方程的通解为,