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4.4 二阶微分方程

6.5k WORDS28 MIN READ#考研数学

4.4 二阶微分方程

总目录 · 笔记整理索引 · 本章索引 · 上一节:4.3 可降阶微分方程(数三不要求) · 下一节:4.5 三阶(高阶)微分方程



一、 线性微分方程解的结构理论

二阶线性微分方程的一般形式为:

y′′+p(x)y′+q(x)y=f(x)y'' + p(x)y' + q(x)y = f(x)

其中 p(x),q(x),f(x)p(x), q(x), f(x) 均为区间 II 上的连续函数。

  • 当右端自由项 f(x)≡0f(x) \equiv 0 时,称为二阶线性齐次方程: y′′+p(x)y′+q(x)y=0(1)y'' + p(x)y' + q(x)y = 0 \tag{1}
  • 当右端自由项 f(x)≢0f(x) \not\equiv 0 时,称为二阶线性非齐次方程: y′′+p(x)y′+q(x)y=f(x)(2)y'' + p(x)y' + q(x)y = f(x) \tag{2}

1. 齐次线性方程的解的结构


2. 非齐次线性方程的解的结构


3. 解的叠加原理(定理 4 详解)


4. 非齐次解的线性组合规律总结


二、 二阶常系数齐次线性微分方程

二阶常系数线性齐次微分方程的标准形式为:

y′′+py′+qy=0(3)y'' + py' + qy = 0 \tag{3}

其中 p,qp, q 为实常数。

1. 特征方程与通解公式

令 y=erxy = e^{rx} 代入方程 (3)(3),消去 erx≠0e^{rx} \ne 0 后得到其特征方程:

r2+pr+q=0\boxed{r^2 + pr + q = 0}

设其判别式为 Δ=p2−4q\Delta = p^2 - 4q,特征根为 r1,r2r_1, r_2。通解形式完全由特征根决定:

判别式 Δ\Delta特征方程的根 r1,r2r_1, r_2微分方程的通解 y(x)y(x)线性无关特解基底
Δ>0\Delta > 0两个不相等的实特征根:r1≠r2r_1 \ne r_2y=C1er1x+C2er2x\boxed{y = C_1 e^{r_1 x} + C_2 e^{r_2 x}}y1=er1x,  y2=er2xy_1 = e^{r_1 x}, \; y_2 = e^{r_2 x}
Δ=0\Delta = 0两个相等的二重实特征根:r1=r2r_1 = r_2y=(C1+C2x)er1x\boxed{y = (C_1 + C_2 x)e^{r_1 x}}y1=er1x,  y2=xer1xy_1 = e^{r_1 x}, \; y_2 = xe^{r_1 x}
Δ<0\Delta < 0一对共轭复特征根:r1,2=α±iβr_{1,2} = \alpha \pm i\betay=eαx(C1cos⁡βx+C2sin⁡βx)\boxed{y = e^{\alpha x}(C_1 \cos\beta x + C_2 \sin\beta x)}y1=eαxcos⁡βx,  y2=eαxsin⁡βxy_1 = e^{\alpha x}\cos\beta x, \; y_2 = e^{\alpha x}\sin\beta x

(其中 C1,C2C_1, C_2 为任意实常数,α=−p2,β=4q−p22\alpha = -\dfrac{p}{2}, \beta = \dfrac{\sqrt{4q - p^2}}{2})


2. 解的性态与有界性分析(笔记重点提示)


三、 二阶常系数非齐次线性微分方程

二阶常系数线性非齐次微分方程的标准形式为:

y′′+py′+qy=f(x)(4)y'' + py' + qy = f(x) \tag{4}

根据考研大纲要求,考生必须熟练掌握以下两类特殊自由项的待定系数法求特解。


1. 类型 I:f(x)=Pn(x)eαxf(x) = P_n(x)e^{\alpha x} 型


2. 类型 II:f(x)=eαx[Pm(x)cos⁡βx+Pn(x)sin⁡βx]f(x) = e^{\alpha x}[P_m(x)\cos\beta x + P_n(x)\sin\beta x] 型


四、 笔记绝技:奇偶性在二阶非齐次方程中的秒杀技巧

1. 奇偶性微分运算规律

在方程 y′′+ω2y=f(x)y'' + \omega^2 y = f(x) 中:

  • 若 y(x)y(x) 是偶函数   ⟹  y′(x)\implies y'(x) 为奇函数   ⟹  y′′(x)\implies y''(x) 为偶函数!
    因此:左端 y′′+ω2yy'' + \omega^2 y 必为偶函数。
  • 若 y(x)y(x) 是奇函数   ⟹  y′(x)\implies y'(x) 为偶函数   ⟹  y′′(x)\implies y''(x) 为奇函数!
    因此:左端 y′′+ω2yy'' + \omega^2 y 必为奇函数。

2. 经典实战剖析:y′′+y=xsin⁡xy'' + y = x\sin x

常规待定系数法设解(极其繁琐):
特征方程 r2+1=0  ⟹  r=±ir^2 + 1 = 0 \implies r = \pm i。右端 α=0,β=1\alpha = 0, \beta = 1,α±iβ=±i\alpha \pm i\beta = \pm i 是特征根,故 k=1k = 1。
多项式为 1 次,因此常规设法必须设:

y∗=x[(A1x+B1)cos⁡x+(A2x+B2)sin⁡x]y^* = x\left[ (A_1 x + B_1)\cos x + (A_2 x + B_2)\sin x \right]

展开共有 4 个待定常数 A1,B1,A2,B2A_1, B_1, A_2, B_2。求一次导、二次导代入比较系数极其耗时。

奇偶性秒杀分析(极力推荐):

  1. 检验右端:f(x)=xsin⁡xf(x) = x\sin x。因为 (−x)sin⁡(−x)=(−x)(−sin⁡x)=xsin⁡x(-x)\sin(-x) = (-x)(-\sin x) = x\sin x,所以 f(x)f(x) 是偶函数!
  2. 确定特解奇偶性:方程左端为 y′′+yy'' + y(无 y′y' 项),偶函数的二阶导仍为偶函数,故 特解 y∗y^* 必须是偶函数!
  3. 逐项审查展开式: y∗=A1x2cos⁡x+B1xcos⁡x+A2x2sin⁡x+B2xsin⁡xy^* = A_1 x^2\cos x + B_1 x\cos x + A_2 x^2\sin x + B_2 x\sin x
    • x2cos⁡xx^2\cos x:偶×偶=偶函数\text{偶} \times \text{偶} = \text{偶函数}   ⟹  \implies 保留 A1A_1;
    • xcos⁡xx\cos x:奇×偶=奇函数\text{奇} \times \text{偶} = \text{奇函数}   ⟹  \implies 必有 B1=0B_1 = 0;
    • x2sin⁡xx^2\sin x:偶×奇=奇函数\text{偶} \times \text{奇} = \text{奇函数}   ⟹  \implies 必有 A2=0A_2 = 0;
    • xsin⁡xx\sin x:奇×奇=偶函数\text{奇} \times \text{奇} = \text{偶函数}   ⟹  \implies 保留 B2B_2。

💡 【CONCLUSION】 秒杀结论

借助奇偶性,特解直接锁定为:

y∗=x(A1xcos⁡x+B2sin⁡x)\boxed{y^* = x(A_1 x\cos x + B_2\sin x)}

未知参数由 4 个直接砍半为 2 个!代入后计算量断崖式下降!


五、 经典题型与历年真题深度精析

题型一:解的结构性质与系数反求








题型二:微分方程联立与多元转化



题型三:解的全局性态与参数范围


题型四:非齐次方程的叠加原理与奇偶性特解求法


我的总结

本节内容是考研数学第四章常微分方程的关键组成部分。在复习与解题时应掌握以下主线:

  1. 识别方程类型:观察自变量、未知函数及各阶导数的组合形式,快速锁定标准型或代换方向;
  2. 掌握通用解法:公式法、降阶法、特征方程法熟练掌握,计算务必准确;
  3. 注重综合联动:微分方程常与变限积分、级数、中值定理及几何物理应用综合命题,强化前后知识贯通。

参考资料

  • 考研数学历年真题(全国统考真题)
  • 同济大学数学系《高等数学》(常微分方程章节)
  • 常见考研辅导资料(张宇《高数十八讲》、李林《880题》等)
  • 本人考研数学课程学习笔记与题型方法梳理

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