13.3 习题课讲解
13.3.1 可降阶的高阶方程
例 13.3.1
设函数的曲率为常数,求。
解
由曲率的定义可得
故。由导函数的介质性知不变号,故不妨设。令,则
两边积分可得
两边积分可得
例 13.3.2
求解以下微分方程:
解
求导可得
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
所以原方程的通解为
另解
用通常的降阶法,设,则,故有
解得为常值函数或,即
所以原方程的通解为
例 13.3.3
求解以下微分方程:
解
因式分解可得
这等价于微分方程组
对于第二个方程,配凑积分因子可得
对于第一个方程,配凑积分因子可得
另解
首先求解齐次方程:
由解得。利用常数变易法可设,代入原方程可得
这是关于的一阶线性微分方程(由此实现降阶),配凑积分因子可得
积分可得
从而
例 13.3.4
求解以下微分方程:
解
因式分解可得
这等价于微分方程组
对于第二个方程,配凑积分因子可得
对于第一个方程,配凑积分因子可得
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,利用适当的微分方程证明以下函数线性无关:
解
设常数使得
注意到
逐次求导可得
故。继续求导可得
故。继续求导可得
故。综上所述,这些函数线性无关。
例 13.3.6
求解以下微分方程:
解
先考虑齐次方程,特征多项式为
因此齐次方程解空间的基为,即齐次方程的通解为
接下来寻找非齐次方程的特解。设,代入原方程可得
故非齐次方程的通解为
例 13.3.7
求解以下微分方程:
解
令,把上述二阶方程改写为一阶方程组
齐次部分的一对线性无关解为
它们给出可逆矩阵
设是非齐次方程的解,且满足
则
所以
因此
例 13.3.8
求解以下微分方程:
解
令,则
代入原方程可得
解得