13.3 习题课讲解

13.3.1 可降阶的高阶方程

例 13.3.1 设函数y=y(x)的曲率为常数κ>0,求y(x)

由曲率的定义可得(1)|y|(1+y2)3/2=κ|y|0。由导函数的介质性知y不变号,故不妨设y>0。令u=y,则(2)u=κ(1+u2)3/2du(1+u2)3/2=κdx 两边积分可得(3)u1+u2=κx+C1dydx=u=κx+C11(κx+C1)2 两边积分可得(4)y=1(κx+C1)2κ+C2(x+C1k)2+(yC2)2=1κ2

例 13.3.2 求解以下微分方程:(5)2yyy2=0

求导可得(6)2yy(3)=0y=0y(3)=0y(x)=Ax2+Bx+C 但这造成了增解,因为二阶微分方程的通解只能有两个任意常数,所以需要代入原方程验证,即(7)2(Ax2+Bx+C)2A(2Ax+B)2=04AC=B2 所以原方程的通解为(8)y(x)=Ax2±2ACx+C,AC0

另解 用通常的降阶法,设u=y,则y=dudx=dudydydx=ududy,故有(9)2yududyu2=0u=02duu=dyy 解得y为常值函数或u2=C|y|,即(10)dydx=±C|y|=2C1|y||y|=C1x+C2 所以原方程的通解为(11)y=±(C1x+C2)2

例 13.3.3 求解以下微分方程:(12)xy(x+1)y+y=x2ex

因式分解可得(13)(xddx1)(ddx1)y=x2ex 这等价于微分方程组(14){yy=zxzz=x2ex 对于第二个方程,配凑积分因子可得(15)ddx(zx)=exz=xexdx=xex+C1x 对于第一个方程,配凑积分因子可得(16)ddx(exy)=x+C1xexy=ex(x+C1xex)dx=12x2exC1(x+1)+C2ex

另解 首先求解齐次方程:(17)(xddx1)(ddx1)y=0yy=0解得y=Cex。利用常数变易法可设y=C(x)ex,代入原方程可得(18)ex[xC+(x1)C]=x2exxC+(x1)C=x2 这是关于C的一阶线性微分方程(由此实现降阶),配凑积分因子可得(19)ddx(exCx)=exx2[xC+(x1)C]=exC=xex(ex+C1)=x+C1xex 积分可得(20)C=(x+C1xex)dx=12x2C1(x+1)ex+C2 从而(21)y=12x2exC1(x+1)+C2ex

例 13.3.4 求解以下微分方程:(22)x2y2xy+2y=2x

因式分解可得(23)(xddx1)(xddx2)=2x 这等价于微分方程组(24){xyy=zxz2z=2x 对于第二个方程,配凑积分因子可得(25)ddx(zx2)=2x2z=x22x2dx=2x+C1x2 对于第一个方程,配凑积分因子可得(26)ddx(yx)=1x2(2x+C1x2)y=x1x2(2x+C1x2)dx=2xlnx+C1x2+C2x

另解 仿照上例,借助常数变易法。

13.3.2 高阶线性微分方程

例 13.3.5 αβ,利用适当的微分方程证明以下函数线性无关:(27)eαx,eαxx,eαxx22,eβx,eβxx,eβxx22

设常数C1,C2,,C6使得(28)y:=C1eαx+C2eαxx+C3eαxx22+C4eβx+C5eβxx+C6eβxx22=0 注意到(29)(ddxα)eαxxnn!=eαxxn1(n1)!,(ddxα)eβx=(βα)eβx 逐次求导可得(30)0=(ddxα)3(ddxβ)2y=(ddxα)3C6eβx=C6(βα)3eβx0=(ddxα)2(ddxβ)3y=(ddxβ)3C3eαx=C3(αβ)3eαxC3=C6=0。继续求导可得(31)0=(ddxα)2(ddxβ)y=(ddxα)2C5eβx=C5(βα)2eβx0=(ddxα)(ddxβ)2y=(ddxβ)2C2eαx=C2(αβ)2eαxC2=C5=0。继续求导可得(32)0=(ddxα)y=(ddxα)C4eβx=C4(βα)eβx0=(ddxβ)y=(ddxβ)C1eαx=C1(αβ)eαxC1=C4=0。综上所述,这些函数线性无关。

例 13.3.6 求解以下微分方程:(33)y(4)y(3)3y+y+2y=3x+4

先考虑齐次方程,特征多项式为(34)λ4λ33λ2+λ+2=(λ2)(λ1)(λ+1)2=0 因此齐次方程解空间的基为e2x,ex,ex,xex,即齐次方程的通解为(35)yh=C1e2x+C2ex+C3ex+C4xex 接下来寻找非齐次方程的特解。设yp=Ax+B,代入原方程可得(36)A+2(Ax+B)=3x+4A=32,B=54 故非齐次方程的通解为(37)y=yh+yp=32x+54+C1e2x+C2ex+C3ex+C4xex

例 13.3.7 求解以下微分方程:(38)y+y=sinx

z=y,把上述二阶方程改写为一阶方程组(39)ddx(yz)=(0110)(yz)+(0sinx) 齐次部分的一对线性无关解为(40)(cosxsinx),(sinxcosx) 它们给出可逆矩阵(41)U(x)=(cosxsinxsinxcosx),U(x)=(0110)U(x)y是非齐次方程的解,且满足(42)(yy)=U(x)(C1(x)C2(x))(43)ddx(yy)(0110)(yy)=U(x)(C1(x)C2(x))=(0sinx) 所以(44)(C1(x)C2(x))=U1(x)(0sinx)=(sin2xsinxcosx){C1(x)=14sin2xx2+AC2(x)=14cos2x+B 因此(45)y=C1(x)cosx+C2(x)sinx=14sinxx2cosx+Acosx+Bsinx

例 13.3.8 求解以下微分方程:(46)x2y+3xy+y=0

t=ln|x|,则(47)y=dydtdtdx=1xdydty=dydtdtdx=1x(1x2dxdt+1xd2ydt2)=1x2(d2ydt2dydt) 代入原方程可得(48)d2ydt2+2dydt+y=0 解得(49)y=(C~1+C~2t)et=(C~1+C~2ln|x|)1|x|=C1+C2ln|x|x