2025年05月23日
数学 / 高等数学
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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、 阶贝塞尔方程及其解)。

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 ,令 ,则 ,有

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 阶欧拉方程的情况,可做类似处理。

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 ,求第二个线性无关解。

,计算:

代入原方程:

由于 满足原方程,最后一项为零,得

, 则

这是关于 的一阶线性微分方程,解为

于是

积分得

因此,第二解为

由此得到刘维尔公式(Liouville公式):设 的解,则另一线性无关解

在前段降阶法中,利用的一个解 ,作变换,使变换后的式左边第 项方括号中为零,从而达到降阶的目的。现在换一种思路,选取使式左边第中为零,而若第中恰为倍(为常数),并且假设,那么约去此 之后,成为,从而成为容易求解的常系数线性齐次微分方程,达到求得原方程的通解的目的。按照上述思路,有下述结果:

具有连续的一阶导数,连续,且满足,则微分方程:

可经变量变换,适当选取函数,使上述方程化为关于的二阶常系数线性微分方程而求解。事实上,由,有,,代入原给方程,得

使,例如取

从而经计算有

于是原方程化为

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 ,则特解设为

其中 为待定函数。对求导得

为了使变动常数为函数前后,其导数形式相同,令一阶导第二个方括号为零,则:

再求导数:

与上述式子同理,令二阶导的第二个方括号值为,联立得:

解得

其中 为解的朗斯基行列式。

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 处解析。

,则

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

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

,各得一组独立解,分别定义为第一类和第二类贝塞尔函数。

3、 阶第一类贝塞尔函数

定义为

其中 为伽马函数。

4、 阶第一类贝塞尔函数

同上,取 ,得

作者信息:老官童鞋gogoho
发表于:2025年05月23日