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第四章 微分方程 ​

考试大纲 ​

  1. 了解微分方程及其阶、解、通解、初始条件和特解等概念
  2. 掌握可分离变量的微分方程及一阶线性微分方程的解法
  3. 会解齐次微分方程、伯努利方程和全微分方程
  4. 会用简单的变量代换解某些微分方程
  5. 会用降阶法解下列形式的微分方程:y(n)=f(x)y^{(n)} = f(x),y′′=f(x,y′)y'' = f(x, y') 和 y′′=f(y,y′)y'' = f(y, y')
  6. 理解线性微分方程解的性质及解的结构
  7. 掌握二阶常系数齐次线性微分方程的解法
  8. 会解自由项为多项式、指数函数、正弦函数、余弦函数的二阶常系数非齐次线性微分方程

核心知识点 ​

1. 微分方程的基本概念 ​

微分方程: 凡表示未知函数、未知函数的导数与自变量之间的关系的方程,叫做微分方程。

阶: 微分方程中所出现的未知函数的最高阶导数的阶数,叫做微分方程的阶。

解: 代入微分方程能使方程成为恒等式的函数。

通解: 如果微分方程的解中含有任意常数,且任意常数的个数与微分方程的阶数相同,这样的解叫做微分方程的通解。

特解: 确定了通解中的任意常数以后,就得到微分方程的特解。

初始条件: 用来确定任意常数的条件。

初值问题: 求微分方程满足初始条件的特解的问题。


2. 一阶微分方程 ​

(1)可分离变量的微分方程 ​

形式: g(y) dy=f(x) dxg(y) \, dy = f(x) \, dx

解法: 两端积分,得 ∫g(y) dy=∫f(x) dx\int g(y) \, dy = \int f(x) \, dx

例题: 求 dydx=2xy\frac{dy}{dx} = 2xy 的通解

解: 分离变量得 dyy=2x dx\frac{dy}{y} = 2x \, dx

两端积分:ln⁡∣y∣=x2+C1\ln|y| = x^2 + C_1

即 y=±ex2+C1=±eC1ex2y = \pm e^{x^2 + C_1} = \pm e^{C_1} e^{x^2}

记 C=±eC1C = \pm e^{C_1},得通解 y=Cex2y = Ce^{x^2}

(2)齐次方程 ​

形式: dydx=φ(yx)\frac{dy}{dx} = \varphi\left(\frac{y}{x}\right)

解法: 令 u=yxu = \frac{y}{x},即 y=uxy = ux,则 dydx=u+xdudx\frac{dy}{dx} = u + x\frac{du}{dx}

代入原方程得 u+xdudx=φ(u)u + x\frac{du}{dx} = \varphi(u),即 duφ(u)−u=dxx\frac{du}{\varphi(u) - u} = \frac{dx}{x}

这是可分离变量的方程,积分后还原 u=yxu = \frac{y}{x} 即可。

(3)一阶线性微分方程 ​

形式: dydx+P(x)y=Q(x)\frac{dy}{dx} + P(x)y = Q(x)

通解公式:

y=e−∫P(x) dx(∫Q(x)e∫P(x) dx dx+C)y = e^{-\int P(x) \, dx} \left( \int Q(x) e^{\int P(x) \, dx} \, dx + C \right)

记忆技巧: 积分因子法,两边同乘 e∫P(x) dxe^{\int P(x) \, dx},左边变为 (y⋅e∫P(x) dx)′(y \cdot e^{\int P(x) \, dx})'

(4)伯努利方程 ​

形式: dydx+P(x)y=Q(x)yn\frac{dy}{dx} + P(x)y = Q(x)y^n(n≠0,1n \neq 0, 1)

解法: 令 z=y1−nz = y^{1-n},则化为一阶线性方程:

dzdx+(1−n)P(x)z=(1−n)Q(x)\frac{dz}{dx} + (1-n)P(x)z = (1-n)Q(x)


3. 可降阶的高阶微分方程 ​

(1)y(n)=f(x)y^{(n)} = f(x) 型 ​

解法: 接连积分 nn 次,每次积分出现一个任意常数。

(2)y′′=f(x,y′)y'' = f(x, y') 型 ​

特点: 不显含未知函数 yy

解法: 设 y′=py' = p,则 y′′=dpdx=p′y'' = \frac{dp}{dx} = p',代入原方程得一阶方程 p′=f(x,p)p' = f(x, p)

解出 pp 后,再积分一次得 yy。

(3)y′′=f(y,y′)y'' = f(y, y') 型 ​

特点: 不显含自变量 xx

解法: 设 y′=py' = p,则 y′′=dpdx=dpdy⋅dydx=pdpdyy'' = \frac{dp}{dx} = \frac{dp}{dy} \cdot \frac{dy}{dx} = p \frac{dp}{dy}

代入原方程得 pdpdy=f(y,p)p \frac{dp}{dy} = f(y, p),这是关于 yy 和 pp 的一阶方程。


4. 二阶常系数线性微分方程 ​

(1)齐次方程 ​

形式: y′′+py′+qy=0y'' + py' + qy = 0(p,qp, q 为常数)

特征方程: r2+pr+q=0r^2 + pr + q = 0

特征根情况通解形式
两个不相等实根 r1≠r2r_1 \neq r_2y=C1er1x+C2er2xy = C_1 e^{r_1 x} + C_2 e^{r_2 x}
两个相等实根 r1=r2=rr_1 = r_2 = ry=(C1+C2x)erxy = (C_1 + C_2 x) e^{rx}
一对共轭复根 r1,2=α±iβr_{1,2} = \alpha \pm i\betay=eαx(C1cos⁡βx+C2sin⁡βx)y = e^{\alpha x}(C_1 \cos \beta x + C_2 \sin \beta x)

(2)非齐次方程 ​

形式: y′′+py′+qy=f(x)y'' + py' + qy = f(x)

通解结构: y=Y+y∗y = Y + y^*,其中 YY 是对应齐次方程的通解,y∗y^* 是非齐次方程的一个特解。

特解形式(待定系数法):

f(x)f(x) 的形式特解 y∗y^* 的形式
f(x)=eλxPm(x)f(x) = e^{\lambda x} P_m(x)(λ\lambda 不是特征根)y∗=eλxQm(x)y^* = e^{\lambda x} Q_m(x)
f(x)=eλxPm(x)f(x) = e^{\lambda x} P_m(x)(λ\lambda 是单特征根)y∗=xeλxQm(x)y^* = x e^{\lambda x} Q_m(x)
f(x)=eλxPm(x)f(x) = e^{\lambda x} P_m(x)(λ\lambda 是重特征根)y∗=x2eλxQm(x)y^* = x^2 e^{\lambda x} Q_m(x)
f(x)=eλx[Pl(x)cos⁡ωx+Pn(x)sin⁡ωx]f(x) = e^{\lambda x}[P_l(x)\cos\omega x + P_n(x)\sin\omega x](λ+iω\lambda + i\omega 不是特征根)y∗=eλx[Rm(1)(x)cos⁡ωx+Rm(2)(x)sin⁡ωx]y^* = e^{\lambda x}[R_m^{(1)}(x)\cos\omega x + R_m^{(2)}(x)\sin\omega x]
f(x)=eλx[Pl(x)cos⁡ωx+Pn(x)sin⁡ωx]f(x) = e^{\lambda x}[P_l(x)\cos\omega x + P_n(x)\sin\omega x](λ+iω\lambda + i\omega 是特征根)y∗=xeλx[Rm(1)(x)cos⁡ωx+Rm(2)(x)sin⁡ωx]y^* = x e^{\lambda x}[R_m^{(1)}(x)\cos\omega x + R_m^{(2)}(x)\sin\omega x]

其中 m=max⁡{l,n}m = \max\{l, n\},Qm(x)Q_m(x)、Rm(1)(x)R_m^{(1)}(x)、Rm(2)(x)R_m^{(2)}(x) 均为 mm 次多项式。


典型例题 ​

例题 1:一阶线性微分方程 ​

求方程 dydx−2yx+1=(x+1)52\frac{dy}{dx} - \frac{2y}{x+1} = (x+1)^{\frac{5}{2}} 的通解。

解:

这是一阶线性方程,其中 P(x)=−2x+1P(x) = -\frac{2}{x+1},Q(x)=(x+1)52Q(x) = (x+1)^{\frac{5}{2}}

先求 ∫P(x) dx=−2ln⁡∣x+1∣\int P(x) \, dx = -2\ln|x+1|

积分因子:e∫P(x) dx=e−2ln⁡∣x+1∣=(x+1)−2e^{\int P(x) \, dx} = e^{-2\ln|x+1|} = (x+1)^{-2}

代入通解公式:

y=(x+1)2[∫(x+1)52⋅(x+1)−2 dx+C]y = (x+1)^2 \left[ \int (x+1)^{\frac{5}{2}} \cdot (x+1)^{-2} \, dx + C \right]

=(x+1)2[∫(x+1)12 dx+C]= (x+1)^2 \left[ \int (x+1)^{\frac{1}{2}} \, dx + C \right]

=(x+1)2[23(x+1)32+C]= (x+1)^2 \left[ \frac{2}{3}(x+1)^{\frac{3}{2}} + C \right]

=23(x+1)72+C(x+1)2= \boxed{\frac{2}{3}(x+1)^{\frac{7}{2}} + C(x+1)^2}

例题 2:二阶常系数齐次方程 ​

求 y′′−2y′+5y=0y'' - 2y' + 5y = 0 的通解。

解:

特征方程:r2−2r+5=0r^2 - 2r + 5 = 0

解得:r=2±4−202=1±2ir = \frac{2 \pm \sqrt{4 - 20}}{2} = 1 \pm 2i

这是一对共轭复根,α=1\alpha = 1,β=2\beta = 2

通解为:

y=ex(C1cos⁡2x+C2sin⁡2x)y = \boxed{e^x(C_1 \cos 2x + C_2 \sin 2x)}

例题 3:二阶常系数非齐次方程 ​

求 y′′−2y′−3y=3x+1y'' - 2y' - 3y = 3x + 1 的一个特解。

解:

对应齐次方程的特征方程:r2−2r−3=0r^2 - 2r - 3 = 0,解得 r1=3r_1 = 3,r2=−1r_2 = -1

f(x)=3x+1f(x) = 3x + 1 属于 eλxPm(x)e^{\lambda x} P_m(x) 型,其中 λ=0\lambda = 0,Pm(x)=3x+1P_m(x) = 3x + 1

由于 λ=0\lambda = 0 不是特征根,设特解:

y∗=b0x+b1y^* = b_0 x + b_1

代入原方程:

(b0x+b1)′′−2(b0x+b1)′−3(b0x+b1)=3x+1(b_0 x + b_1)'' - 2(b_0 x + b_1)' - 3(b_0 x + b_1) = 3x + 1

−2b0−3b0x−3b1=3x+1-2b_0 - 3b_0 x - 3b_1 = 3x + 1

比较系数:

{−3b0=3−2b0−3b1=1\begin{cases} -3b_0 = 3 \\ -2b_0 - 3b_1 = 1 \end{cases}

解得 b0=−1b_0 = -1,b1=13b_1 = \frac{1}{3}

特解为:

y∗=−x+13y^* = \boxed{-x + \frac{1}{3}}


易错点提醒 ​

常见错误

  1. 通解中常数个数不足

    • 一阶方程通解应含 1 个任意常数
    • 二阶方程通解应含 2 个任意常数
  2. 特征根与特解形式不匹配

    • 当 λ\lambda 是特征根时,特解必须乘以 xx 或 x2x^2
  3. 齐次方程与线性方程混淆

    • 齐次方程 dydx=φ(yx)\frac{dy}{dx} = \varphi(\frac{y}{x}) 用代换 u=yxu = \frac{y}{x}
    • 线性方程 dydx+P(x)y=Q(x)\frac{dy}{dx} + P(x)y = Q(x) 用通解公式
  4. 忽略方程类型判断

    • 拿到方程先判断类型,再选择对应解法

本章小结 ​

  1. 掌握微分方程的基本概念(阶、解、通解、特解)
  2. 熟练掌握可分离变量方程和一阶线性方程的解法
  3. 会解齐次方程和伯努利方程
  4. 掌握可降阶的高阶方程的降阶方法
  5. 熟练掌握二阶常系数线性方程的解法

下一章预告: 无穷级数——研究无穷多项相加的问题

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