第5题
求微分方程 $y''+y=e^x+\cos x$ 的通解。
答案
$y(x)=C_1\cos x+C_2\sin x+\dfrac{1}{2}e^x+\dfrac{1}{2}x\sin x$($C_1,C_2$为任意常数)。
📖 前置知识梳理
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二阶常系数非齐次线性微分方程 $y'' + py' + qy = f(x)$ 的通解结构为 $y(x) = Y(x) + y^*(x)$,其中 $Y(x)$ 是对应齐次方程的通解,$y^*(x)$ 是非齐次方程的特解。对于 $f(x) = P_m(x)e^{\lambda x}$ 型特解,形式为 $y^* = x^k R_m(x)e^{\lambda x}$,其中 $k = 0$($\lambda$ 不是特征根)、$1$($\lambda$ 是单根)、$2$($\lambda$ 是重根)。对于 $f(x) = e^{\lambda x}[P_l(x)\cos \omega x + Q_n(x)\sin \omega x]$ 型特解,形式为 $y^* = x^k e^{\lambda x}[R_m^{(1)}(x)\cos \omega x + R_m^{(2)}(x)\sin \omega x]$,其中 $k = 0$ 或 $1$(取决于 $\lambda \pm \omega i$ 是否为特征根),$m = \max\{l, n\}$。叠加原理:若 $y_1^*, y_2^*$ 分别是 $y'' + py' + qy = f_1(x)$ 和 $y'' + py' + qy = f_2(x)$ 的特解,则 $y_1^* + y_2^*$ 是 $y'' + py' + qy = f_1(x) + f_2(x)$ 的特解。
📋 解题步骤
1
求齐次方程通解
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特征方程为$r^2+1=0$,求其根为$r_{1,2}=\pm i$。故对应的齐次方程通解为
$$Y(x)=C_1\cos x+C_2\sin x.$$
$$Y(x)=C_1\cos x+C_2\sin x.$$
2
求$e^x$ 对应的特解
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对于$y''+y=e^x$,$f_1(x)=e^x$,$\lambda=1$不是特征根。令$y_1^*=Ae^x$,代入方程得
$$Ae^x+Ae^x=e^x,$$
解得$A=\dfrac{1}{2}$。所以
$$y_1^*=\frac{1}{2}e^x.$$
$$Ae^x+Ae^x=e^x,$$
解得$A=\dfrac{1}{2}$。所以
$$y_1^*=\frac{1}{2}e^x.$$
3
求$\cos x$ 对应的特解
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对于$y''+y=\cos x$,$\lambda\pm\omega i=\pm i$是特征方程的根。令
$$y_2^*=x(B\cos x+D\sin x),$$
代入方程整理得
$$-2B\sin x+2D\cos x=\cos x,$$
比较系数得$B=0, D=\dfrac{1}{2}$。所以
$$y_2^*=\frac{1}{2}x\sin x.$$
$$y_2^*=x(B\cos x+D\sin x),$$
代入方程整理得
$$-2B\sin x+2D\cos x=\cos x,$$
比较系数得$B=0, D=\dfrac{1}{2}$。所以
$$y_2^*=\frac{1}{2}x\sin x.$$
4
写出原方程通解
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根据叠加原理,原方程的通解为
$$y(x)=C_1\cos x+C_2\sin x+\frac{1}{2}e^x+\frac{1}{2}x\sin x.$$
$$y(x)=C_1\cos x+C_2\sin x+\frac{1}{2}e^x+\frac{1}{2}x\sin x.$$
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