常系数线性微分方程

Constant-Coefficient Differential Equation
未知函数的各阶导数都由常数系数乘以的线性组合构成的微分方程

从二阶微分方程开始讨论,然后扩展到高阶微分方程。

一、常系数齐次线性微分方程

二阶

y+py+qy=0

r 为常数时,y=erx 的各阶导数都只差常数因子
y=(erx)=rerx y=(erx)=(rerx)=r2erx
代入微分方程得到特征方程:r2+pr+q=0
一元二次方程知判别式为:Δ=p24q

判别式 根的情况 对应通解
Δ>0 两不等实根
r=p±Δ2
y=C1er1x+C2er2x
Δ=0 相等实根
r1=r2=p2
y=(C1+C2x)erx
Δ<0 共轭复根
r=α±βi
y=eαx(C1cosβx+C2sinβx)

高阶

使用微分算子 D表示对 x 的求导运算 ddxDy=dydx

L(D)=Dn+p1Dn1++pn1D+pn

n 阶常系数微分方程:

L(D)y=(Dn+p1Dn1++pn)y=0

特征方程:

rn+p1rn1++pn1r+pn=0
根的情况 对应通解
单实根 y=Cerx
k 重实根 y=(C1+C2x++Ckxk1)erx
一对共轭复根 y=eαx(C1cosβx+C2sinβx)
k 重共轭复根 y=eαx[(C1++Ckxk1)cosβx+(D1++Dkxk1)sinβx]

欧拉公式

y1=e(α+βi)x=eαx(cosβx+isinβx)y2=e(αβi)x=eαx(cosβxisinβx)Y1=12(y1+y2)=eαxcosβxY2=12i(y1y2)=eαxsinβxy=C1Y1+C2Y2=eαx(C1cosβx+C2sinβx)

二、常系数非齐次线性微分方程

y+py+qy=f(x)

形式一

f(x)=eλxPm(x)

多项式和指数函数的乘积的导数仍然是多项式和指数函数的乘积
Pm(x)=a0xm+a1xm1++am1x+am
Rm(x)=b0xm+b1xm1++bm1x+bm

λ 和特征方程的关系 特解形式
λ 不为特征方程的根 y=Rm(x)eλx
λ 为特征方程的单根 y=xRm(x)eλx
λ 为特征方程的 k 重根 y=xkRm(x)eλx

形式二

f(x)=eλx[Pl(x)cosωx+Qn(x)sinωx]
λ+ωi 和特征方程的关系 特解形式
λ+ωi 不为特征方程的根 y=[Rm1cosωx+Rm2cosωx]eλx
λ+ωi 为特征方程的单根 y=x[Rm1cosωx+Rm2cosωx]eλx
λ+ωi 为特征方程的 k 重根 y=xk[Rm1cosωx+Rm2cosωx]eλx

AI 结构化补充(2026-05-02)

Constant-Coefficient Differential Equation
未知函数的各阶导数都由常数系数乘以的线性组合构成的微分方程

从二阶微分方程开始讨论,然后扩展到高阶微分方程。

一、常系数齐次线性微分方程

二阶

y+py+qy=0

r 为常数时,y=erx 的各阶导数都只差常数因子
y=(erx)=rerx y=(erx)=(rerx)=r2erx
代入微分方程得到特征方程:r2+pr+q=0
一元二次方程知判别式为:Δ=p24q

判别式 根的情况 对应通解
Δ>0 两不等实根
r=p±Δ2
y=C1er1x+C2er2x
Δ=0 相等实根
r1=r2=p2
y=(C1+C2x)erx
Δ<0 共轭复根
r=α±βi
y=eαx(C1cosβx+C2sinβx)

高阶

使用微分算子 D表示对 x 的求导运算 ddxDy=dydx

L(D)=Dn+p1Dn1++pn1D+pn

n 阶常系数微分方程:

L(D)y=(Dn+p1Dn1++pn)y=0

特征方程:

rn+p1rn1++pn1r+pn=0
根的情况 对应通解
单实根 y=Cerx
k 重实根 y=(C1+C2x++Ckxk1)erx
一对共轭复根 y=eαx(C1cosβx+C2sinβx)
k 重共轭复根 y=eαx[(C1++Ckxk1)cosβx+(D1++Dkxk1)sinβx]

欧拉公式

y1=e(α+βi)x=eαx(cosβx+isinβx)y2=e(αβi)x=eαx(cosβxisinβx)Y1=12(y1+y2)=eαxcosβxY2=12i(y1y2)=eαxsinβxy=C1Y1+C2Y2=eαx(C1cosβx+C2sinβx)

与一阶线性系统的等价

常系数方程可以从标量形式转成矩阵形式。对

u+Bu+Cu=0

令状态向量为

v=(uu),

v=(01CB)v.

因此二阶特征方程

λ2+Bλ+C=0

同时也是一阶系统矩阵的特征方程。标量方法中的 u=eλt,在线性代数中对应

v(t)=eλtx,Ax=λx.

如果特征值重合且只有一个特征向量,标量方程中的第二个解会出现 teλt;矩阵语言中这是 Jordan 块在矩阵指数中产生的多项式因子。

典型的无阻尼方程

y+y=0

有特征根 λ=i,i。转成系统后

(yy)=(0110)(yy),

初值 (y(0),y(0))=(1,0) 给出

(y(t)y(t))=(costsint),

也就是状态点在圆周上运动。

二、常系数非齐次线性微分方程

y+py+qy=f(x)

形式一

f(x)=eλxPm(x)

多项式和指数函数的乘积的导数仍然是多项式和指数函数的乘积
Pm(x)=a0xm+a1xm1++am1x+am
Rm(x)=b0xm+b1xm1++bm1x+bm

λ 和特征方程的关系 特解形式
λ 不为特征方程的根 y=Rm(x)eλx
λ 为特征方程的单根 y=xRm(x)eλx
λ 为特征方程的 k 重根 y=xkRm(x)eλx

形式二

f(x)=eλx[Pl(x)cosωx+Qn(x)sinωx]
λ+ωi 和特征方程的关系 特解形式
λ+ωi 不为特征方程的根 y=[Rm1cosωx+Rm2cosωx]eλx
λ+ωi 为特征方程的单根 y=x[Rm1cosωx+Rm2cosωx]eλx
λ+ωi 为特征方程的 k 重根 y=xk[Rm1cosωx+Rm2cosωx]eλx