本文系统介绍一般线性微分方程的部分解法,包括:变量变换法(欧拉方程、降阶法、特殊变系数方程)、变动任意常数法、幂级数解法(定理、
一、变量变换法
1、欧拉方程(Cauchy-Euler 方程)
典型形式:
现在主要研究二阶欧拉方程解法。
首先变量变换,取
代入原方程后有
化简得:
这是二阶常系数线性微分方程,解法已知。对于
2、已知一个非零解的齐次线性微分方程的降阶法
考虑二阶齐次线性微分方程
已知一个非零解
设
代入原方程:
由于
令
这是关于
于是
积分得
因此,第二解为
由此得到刘维尔公式(Liouville公式):设
在前段降阶法中,利用的一个解
设
可经变量变换
取
从而经计算有
于是原方程化为
即
这是二阶常系数线性齐次方程,容易求得它的通解,从而使得原给方程的通解。
二、变动任意常数法(拉格朗日变参数法)
针对非齐次线性微分方程
已知对应齐次方程的两个线性无关解
其中
为了使变动常数
再求导数:
与上述式子同理,令
解得
其中
积分得
最终得到原方程的一个解
再加上对应齐次方程的通解,得到该非齐次方程的通解:
三、幂级数解法(非考点)
1、幂级数解法定理
考虑
设
将级数代入方程,通过同幂次项系数相等法可递推求出全部
2、 阶贝塞尔方程
标准形式:
(1)幂级数法解
设
计算:
代入原方程
整理各项同次幂系数,得递推关系式
(2)特殊取值,Frobenius 级数法
取
3、 阶第一类贝塞尔函数
定义为
其中
4、 阶第一类贝塞尔函数
同上,取