1.1.6  高阶微分方程的降阶

更新于 2026年10月10日 版权声明
1.1.6 高阶微分方程的降阶

在初值问题中,odesolver只能用来数值求解一阶微分方程(组)。对于高阶微分方程,可以将其化成一阶微分方程组,进而用odesolver求解,过程如下。

有n阶微分方程:

图示

其在x0处的初始条件为:

图示

做变量代换:

图示

则n阶微分方程可写为一阶微分方程组:

图示

相应初始条件为:

图示

到这一步就可用odesolver直接对其求解了,后面章节在解决高阶微分方程的初值问题时将反复应用此原理。

下面以阻尼振动问题为例:

u′′+2βu′+ω2u=0,u(0)=1,u′(0)=0 (1-62)

这是一个二阶常微分方程的初值问题,它描述了一个弹簧振子或单摆在振动过程中,由于阻力的作用,振幅逐渐减小的现象,其中β、ω为常数,取β=1、ω=10。先做变量代换:(https://www.daowen.com)

图示

则式(1-62)变为:

图示

接下来用ode45数值求解,代码如下:

程序1-3

主程序代码如下:

图示

图示

文件damp.m代码如下:

图示

根据初始条件和方程的物理意义,振子在初始时刻的位移u为1、速度u′为0。可以预测,在随后的振动过程中,振子克服阻力做功,振幅逐渐变小,这与程序的输出图1-4是吻合的。

图示

图1-4 阻尼振动问题的数值解

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