六、常数变易法
对于一般的二阶非齐次线性方程而言,在求出对应齐次方程的两个线性无关的特解后,也可用常数变易法求得非齐次方程的特解y*.
下面以二阶线性微分方程为例讨论高阶线性方程的常数变易法.
设y1(x)和y2(x)是二阶齐次线性微分方程
的两个线性无关的解,现来求非齐次线性微分方程
的通解.
由前面分析知方程(5)的通解可写为
Y(x)=C1y1(x)+C2y2(x).
设方程(6)的通解形式为
下面确定未知函数C1(x)及C2(x).为方便起见,用C1,C2分别代替C1(x),C2(x).
对(7)式两端求导,得
y′(x)=y′1(x)C1+y1(x)C′1+y′2(x)C2+y2(x)C′2.
由于两个未知函数C1(x)和C2(x)只需满足方程(6),可以规定它们再满足一个关系式.为简便起见,由y′表达式可知,为了使y″表达式中不含C″1和C″2,可设
则
y′=y′1C1+y′2C2,
两边再求导,得
y″=y′1C′1+y″1C1+y′2C′2+y″2C2.
把y,y′和y″表达式代入方程(6),得
y′1C′1+y′2C′2+(y″1+py′1+qy1)C1+(y″2+py′2+qy2)C2=f,
整理并注意到y1和y2是齐次方程(5)的解,故上式即为
联立式(8)和(9),在系数行列式
时可解得
对上式两端积分(假定f(x)连续),得
于是得非齐次方程(6)的通解为
其中D1和D2为任意常数.
例4 已知方程(1-x)y″+xy′-y=1所对应的齐次方程的两个解为x和ex,求方程的通解.
解 由于≠常数,故x和ex为方程的两个线性无关的解.
令y=C1(x)x+C2(x)ex为其通解,则
y′=xC′1(x)+exC′2(x)+C1(x)+C2(x)ex.
补充条件
于是
y′=C1(x)+C2(x)ex, y″=C′1(x)+C′2(x)ex+C2(x)ex,
代入原方程,整理得
把(10)式和(11)式联立,解得
积分得
故原方程的通解为