六、常数变易法

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

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