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)。

解 由曲率的定义可得(1)|y″|(1+y′2)3/2=κ 故|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)3/2⟹du(1+u2)3/2=κdx 两边积分可得(3)u1+u2=κx+C1⟹dydx=u=κx+C11−(κx+C1)2 两边积分可得(4)y=−1−(κx+C1)2κ+C2⟹(x+C1k)2+(y−C2)2=1κ2 ◻

例 13.3.2 求解以下微分方程:(5)2yy″−y′2=0

解 求导可得(6)2yy(3)=0⟹y=0∨y(3)=0⟹y(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=0⟹4AC=B2 所以原方程的通解为(8)y(x)=Ax2±2ACx+C,AC≥0 ◻

另解 用通常的降阶法,设u=y′,则y″=dudx=dudydydx=ududy,故有(9)2yududy−u2=0⟹u=0∨2duu=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

解 因式分解可得(13)(xddx−1)(ddx−1)y=x2ex 这等价于微分方程组(14){y′−y=zxz′−z=x2ex 对于第二个方程,配凑积分因子可得(15)ddx(zx)=ex⟹z=x∫exdx=xex+C1x 对于第一个方程,配凑积分因子可得(16)ddx(e−xy)=x+C1xe−x⟹y=ex∫(x+C1xe−x)dx=12x2ex−C1(x+1)+C2ex ◻

另解 首先求解齐次方程:(17)(xddx−1)(ddx−1)y=0 由y′−y=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″+(x−1)C′]=x2ex⟹xC″+(x−1)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(exC′x)=exx2[xC″+(x−1)C′]=ex⟹C′=xe−x(ex+C1)=x+C1xe−x 积分可得(20)C=∫(x+C1xe−x)dx=12x2−C1(x+1)e−x+C2 从而(21)y=12x2ex−C1(x+1)+C2ex ◻

例 13.3.4 求解以下微分方程:(22)x2y″−2xy′+2y=2x

解 因式分解可得(23)(xddx−1)(xddx−2)=2x 这等价于微分方程组(24){xy′−y=zxz′−2z=2x 对于第二个方程,配凑积分因子可得(25)ddx(zx2)=2x2⟹z=x2∫2x2dx=−2x+C1x2 对于第一个方程,配凑积分因子可得(26)ddx(yx)=1x2(−2x+C1x2)⟹y=x∫1x2(−2x+C1x2)dx=−2xln⁡x+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 设α≠β,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

解 设常数C1,C2,⋯,C6使得(28)y:=C1eαx+C2eαxx+C3eαxx22+C4eβx+C5eβxx+C6eβxx22=0 注意到(29)(ddx−α)eαxxnn!=eαxxn−1(n−1)!,(ddx−α)eβx=(β−α)eβx 逐次求导可得(30)0=(ddx−α)3(ddx−β)2y=(ddx−α)3C6eβx=C6(β−α)3eβx0=(ddx−α)2(ddx−β)3y=(ddx−β)3C3eαx=C3(α−β)3eαx 故C3=C6=0。继续求导可得(31)0=(ddx−α)2(ddx−β)y=(ddx−α)2C5eβx=C5(β−α)2eβx0=(ddx−α)(ddx−β)2y=(ddx−β)2C2eαx=C2(α−β)2eαx 故C2=C5=0。继续求导可得(32)0=(ddx−α)y=(ddx−α)C4eβx=C4(β−α)eβx0=(ddx−β)y=(ddx−β)C1eαx=C1(α−β)eαx 故C1=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

解 先考虑齐次方程,特征多项式为(34)λ4−λ3−3λ2+λ+2=(λ−2)(λ−1)(λ+1)2=0 因此齐次方程解空间的基为e2x,ex,e−x,xe−x,即齐次方程的通解为(35)yh=C1e2x+C2ex+C3e−x+C4xe−x 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+4⟹A=32,B=54 故非齐次方程的通解为(37)y=yh+yp=32x+54+C1e2x+C2ex+C3e−x+C4xe−x ◻

例 13.3.7 求解以下微分方程:(38)y″+y=sin⁡x

解 令z′=y,把上述二阶方程改写为一阶方程组(39)ddx(yz)=(01−10)(yz)+(0sin⁡x) 齐次部分的一对线性无关解为(40)(cos⁡x−sin⁡x),(sin⁡xcos⁡x) 它们给出可逆矩阵(41)U(x)=(cos⁡xsin⁡x−sin⁡xcos⁡x),U′(x)=(01−10)U(x) 设y是非齐次方程的解,且满足(42)(yy′)=U(x)(C1(x)C2(x)) 则(43)ddx(yy′)−(01−10)(yy′)=U(x)(C1′(x)C2′(x))=(0sin⁡x) 所以(44)(C1′(x)C2′(x))=U−1(x)(0sin⁡x)=(−sin2⁡xsin⁡xcos⁡x)⟹{C1(x)=14sin⁡2x−x2+AC2(x)=−14cos⁡2x+B 因此(45)y=C1(x)cos⁡x+C2(x)sin⁡x=14sin⁡x−x2cos⁡x+Acos⁡x+Bsin⁡x ◻

例 13.3.8 求解以下微分方程:(46)x2y″+3xy′+y=0

解 令t=ln⁡|x|,则(47)y′=dydtdtdx=1xdydty″=dy′dtdtdx=1x(−1x2dxdt+1xd2ydt2)=1x2(d2ydt2−dydt) 代入原方程可得(48)d2ydt2+2dydt+y=0 解得(49)y=(C~1+C~2t)e−t=(C~1+C~2ln⁡|x|)1|x|=C1+C2ln⁡|x|x ◻