二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)

二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)

二階線(xiàn)性微分方程的一般形式是（6-20）其中P(x)，Q(x)及f(x)是自變量x的已知函數(shù)，函數(shù)f(x)稱(chēng)為方程（6-20）的自由項(xiàng).當(dāng)f(x)=0時(shí)，方程（6-20）變?yōu)椋?-21）這個(gè)方程稱(chēng)為二階齊次線(xiàn)性微分方程，相應(yīng)地，方程（6-20）稱(chēng)為二階非齊次線(xiàn)性微分方程.對(duì)于二階齊次線(xiàn)性微分方程，有下述兩個(gè)定理.定理1如果函數(shù)y1(x)與y2(x)是方程（6-21）的兩個(gè)解，則y=C1y1(x)+C2y2(x)（6-22）也是方程（6-21）的解，其中C1，C2是任意常數(shù).第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)證明

將式（6-22）代入方程（6-21）的左端，有(C1y1+C2y2)″+P(x)(C1y1+C2y2)′+Q(x)(C1y1+C2y2)=(C1y″1+C2y″2)+P(x)(C1y′1+C2y′2)+Q(x)(C1y1+C2y2)=C1［y″1+P(x)y′1+Q(x)y1］+C2［y″2+P(x)y′2+Q(x)y2］=0，所以式（6-22）是方程（6-21）的解.

齊次線(xiàn)性方程的這個(gè)性質(zhì)表明它的解符合疊加原理.第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)

式（6-22）雖然是方程的解，而且含有兩個(gè)任意常數(shù)C1與C2，但它卻不一定是方程的通解，這是因?yàn)榧僭O(shè)y1(x)=5y2(x)，則y=(5C1+C2)y2(x)也是方程的解，但它卻不是通解，那么在什么情況下式（6-22）才是方程（6-21）的通解呢？為了解決這個(gè)問(wèn)題，引入一個(gè)新的概念，即函數(shù)的線(xiàn)性相關(guān)與線(xiàn)性無(wú)關(guān)的概念.第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)定義設(shè)y1(x)，y2(x),…，yn(x)是定義在區(qū)間I上的n個(gè)函數(shù).如果存在n個(gè)不全為零的常數(shù)k1，k2，…，kn,使得當(dāng)x∈I時(shí)恒有k1y1(x)+k2y2(x)+…+knyn=0，則稱(chēng)這n個(gè)函數(shù)在區(qū)間I上線(xiàn)性相關(guān)；否則稱(chēng)為線(xiàn)性無(wú)關(guān).根據(jù)定義可知，在區(qū)間I上兩個(gè)函數(shù)是否線(xiàn)性相關(guān)，只要看它們的比是否為常數(shù).如果比為常數(shù)，則它們線(xiàn)性相關(guān)，否則線(xiàn)性無(wú)關(guān).第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)例如，函數(shù)y1(x)=sin2x，y2(x)=6sinxcosx是兩個(gè)線(xiàn)性相關(guān)的函數(shù)，因?yàn)槎鴜1(x)=e4x，y2(x)=ex是兩個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)的函數(shù)，因?yàn)橛辛撕瘮?shù)線(xiàn)性無(wú)關(guān)的概念后，有下面的定理.第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)定理2如果y1(x)與y2(x)是方程（6-21）的兩個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)的特解，則y=C1y1(x)+C2y2(x)

就是方程（6-21）的通解，其中C1，C2是任意常數(shù).第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)證明由定理1知，y=C1y1(x)+C2y2(x)是方程（6-21）的解，因?yàn)閥1(x)與y2(x)線(xiàn)性無(wú)關(guān)，所以其中兩個(gè)任意常數(shù)C1與C2不能合并，即它們是相互獨(dú)立的，所以y=C1y1(x)+C2y2(x)是方程（6-21）的通解.例如，對(duì)于方程y″－5y′+6y=0，容易驗(yàn)證y1=e2x與y2=e3x是它的兩個(gè)特解，又所以y=C1e2x+C2e3x就是該方程的通解.第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)由一階線(xiàn)性微分方程的討論知，一階非齊次線(xiàn)性微分方程的通解可以表示為對(duì)應(yīng)齊次線(xiàn)性微分方程的通解與一個(gè)非齊次線(xiàn)性微分方程的特解的和.實(shí)際上，不僅一階非齊次線(xiàn)性微分方程的通解具有這樣的結(jié)構(gòu)，而且二階甚至更高階的非齊次線(xiàn)性微分方程的通解也具有同樣的結(jié)構(gòu).第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)定理3設(shè)y*是方程（6-20）的一個(gè)特解，而Y是其對(duì)應(yīng)的齊次方程（6-21）的通解，則y=Y+y*（6-23）就是二階非齊次線(xiàn)性微分方程（6-20）的通解.第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)證明

把式（6-23）代入方程（6-20）的左端，得(Y+y*)″+P(x)(Y+y*)′+Q(x)(Y+y*)=(Y″+y*″)+P(x)(Y′+y*′)+Q(x)(Y+y*)=［Y″+P(x)Y′+Q(x)Y］+［y*″+P(x)y*′+Q(x)y*］=0+f(x)=f(x),即y=Y+y*是方程（6-20）的解.由于對(duì)應(yīng)齊次方程的通解Y=C1y1(x)+C2y2(x)含有兩個(gè)相互獨(dú)立的任意常數(shù)C1，C2，所以y=Y+y*是方程（6-20）的通解.第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)

例如，方程y″－5y′+6y=6x是二階非齊次線(xiàn)性微分方程，已知其對(duì)應(yīng)的齊次方程y″－5y′+6y=0的通解為Y=C1e2x+C2e3x.又容易驗(yàn)證y=x+5/6是該非齊次線(xiàn)性微分方程的一個(gè)特解，故y=Y+y*=C1e2x+C2e3x+x+5/6是所給非齊次線(xiàn)性微分方程的通解.第四節(jié)、二階常系數(shù)微分方程解的結(jié)構(gòu)定理4(解的疊加原理）設(shè)y*1與y*2分別是方程y″+P(x)y′+Q(