常微分方程和差分方程(8)

2018-11-20 18:45

y?232x41?2x12xe?e?xe. 16164?x类型2. f(x)?Pm(x)ecos?x或Pm(x)e?xsinx型

对于此种类型的二阶常系数非齐次线性微分方程,即要求形如

y???py??qy?Pm(x)e?xcos?x (12) y???py??qy?Pm(x)e?xsin?x (13)

y???py??qy?e?x[Pm(x)cos?x?Qn(x)sin?x] (14)

这样的方程的特解.

由欧拉公式知道,(12)式与(13)式的右端函数是

Pm(x)e(??i?)x=Pm(x)e?x[cos?x?isinx]

的实部和虚部,如果我们求出了方程

y???py??qy?Pm(x)e(??i?)x (15)

的一个特解,不妨设为y1?iy2,由第四节定理5可得方程(12)与方程(13)的一个特解分别为y1和y2,即方程(15)的特解的实部就是方程(12)的特解,方程(15)的特解的虚部就是方程(13)的特解.

对应方程(14)只需利用第四节的定理4即可求出该方程的特解,具体方法:先把方程(14)的右端函数化为函数Pm(x)ecos?x与Qn(x)esin?x之和,由定理4可知方程(14)的特解是方程

?x****?xy???py??qy?Pm(x)e?xcos?x (16)

的特解与方程

y???py??qy?Qn(x)e?xsin?x (17)

特解之和,而方程(16)、方程(17)的特解求法完全与方程(12)、方程(13)相类似.

讨论至此,我们只需求出方程

y???py??qy?Pm(x)e(??i?)x (15)

的特解即可,参考类型1即得具体方法.

结论2 如果方程的右端函数为f(x)?Pm(x)e(??i?)x,其中?,?是实

常数,Pm(x)是x的一个m次实系数多项式,则方程(15)具有形如

y*?xkQm(x)e(??i?)x

的特解,其中Qm(x)是与Pm(x)同次的一个m次多项式,而k的取值如下来确定:

①如果??i?不是特征方程r?pr?q?0的根,取k?0; ②如果??i?是特征方程r?pr?q?0的单根,取k?1. 结论3 如果方程的右端函数为

22f(x)?e?x[Pl(x)cos?x?Pn(x)sin?x]

其中?,?是实常数,Pl(x)、Pn(x)是x的一个l次、n次实系数多项式,则方程(15)具有形如

(1)(2)y*?xke?x[Rm(x)cos?x?Rm(x)sin?x]

的特解,其中Rm(x)、Rm(x)是x的m次多项式,其中m?max{l,n}而

(1)(2)k的取值如下来确定:

①如果??i?(或??i?)不是特征方程r?pr?q?0的根,取

2k?0;

②如果??i?(或??i?)是特征方程r?pr?q?0的单根,取

2k?1.

例6 求 y???y?xcos2x 的通解. 解 (1)先求本题方程相应齐次方程的通解

本题方程相应齐次方程的特征方程为

r2?1?0

故特征根为r1?i,r2??i,所以本题方程相应齐次方程的通解为

Y?c1cosx?c2sinx

(2)再先求原方程的一个特解 为求原方程的特解,我们先求方程

y???y?xe2ix (16)

的特解,再取该方程特解的实部解即为原方程的特解.

因??i??2i不是特征方程r?1?0的根,故设方程(16)的特解为

2y*?(b0x?b1)e2ix

将y及其一阶、二阶导数代入原方程,消去e*2ix;或记Q(x)?b0x?b1,

把Q(x)及其一阶、二阶导数代入(7)式,再化简整理,得

4b0i?3b0x?3b1?x

比较等式两端x同次幂的系数,得

?4b0i?3b1?0 ???3b?10解得b10??3,b1??49i.这样,方程(16)的一个特解为 y*?(?14143x?9i)e2ix?(?3x?9i)(cos2x?isin2x)

??143xcos2x?9sin2x?i(419cos2x?3xsin2x)

从而,得到原方程的一个特解为

~y??13xcos2x?49sin2x (3)原方程的通解为

y?c141cosx?c2sinx?3xcos2x?9sin2x

其中c1,c2为任意常数.

例7 求 y???y?3(1?sin2x) 的通解. 解 (1)先求本题方程相应齐次方程的通解

本题方程相应齐次方程的特征方程为

r2?1?0

故特征根为r1?i,r2??i,所以本题方程相应齐次方程的通解为

Y?c1cosx?c2sinx

(2)再先求原方程的一个特解 为求原方程的特解,我们先求方程

y???y?3 (17)

y???y??3sin2x (18)

的特解,为求方程(18)的特解我们先求方程

y???y??3e2ix (19)

的特解,再取该方程特解的虚部解即为方程(18)的特解.

因为?=0不是特征方程r?1?0的根,故设方程(17)的特解为

2~y1?A

代入方程(17),得A?3(也可直接观察得到).

因??i??2i不是特征方程r?1?0的根,故设方程(19)的特解为

2y*?Be2ix

将其代入方程(19),消去e2ix;或记Q(x)?B,把Q(x)及其一阶、二阶

导数代入(7)式,再化简整理,得

B?1

故方程(19)的特解为

y*?e2ix=cos2x?isin2x

取其虚部解即为方程(18)的特解为

~y2?sin2x

从而,得到原方程的一个特解为

~y?~y1?~y2?3?sin2x

(3)原方程的通解为

y?c1cosx?c2sinx?3?sin2x

其中c1,c2为任意常数.

§10.6 差分方程

到现在为止,我们所研究的变量基本上属于连续变化的类型.但在经济与管理及其它实际问题中,许多数据都是以等间隔时间周期统计的.例如,


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