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
当 为常数时, 的各阶导数都只差常数因子
代入微分方程得到特征方程:
由一元二次方程知判别式为:
| 判别式 |
根的情况 |
对应通解 |
|
两不等实根
|
|
|
相等实根
|
|
|
共轭复根
|
|
高阶
使用微分算子 D表示对 的求导运算 ,
阶常系数微分方程:
特征方程:
| 根的情况 |
对应通解 |
| 单实根 |
|
| 重实根 |
|
| 一对共轭复根 |
|
| 重共轭复根 |
|
欧拉公式
二、常系数非齐次线性微分方程
形式一
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
| 和特征方程的关系 |
特解形式 |
| 不为特征方程的根 |
|
| 为特征方程的单根 |
|
| 为特征方程的 重根 |
|
形式二
| 和特征方程的关系 |
特解形式 |
| 不为特征方程的根 |
|
| 为特征方程的单根 |
|
| 为特征方程的 重根 |
|
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
当 为常数时, 的各阶导数都只差常数因子
代入微分方程得到特征方程:
由一元二次方程知判别式为:
| 判别式 |
根的情况 |
对应通解 |
|
两不等实根
|
|
|
相等实根
|
|
|
共轭复根
|
|
高阶
使用微分算子 D表示对 的求导运算 ,
阶常系数微分方程:
特征方程:
| 根的情况 |
对应通解 |
| 单实根 |
|
| 重实根 |
|
| 一对共轭复根 |
|
| 重共轭复根 |
|
欧拉公式
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
令状态向量为
则
因此二阶特征方程
同时也是一阶系统矩阵的特征方程。标量方法中的 ,在线性代数中对应
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 ;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
有特征根 。转成系统后
初值 给出
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
形式一
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
| 和特征方程的关系 |
特解形式 |
| 不为特征方程的根 |
|
| 为特征方程的单根 |
|
| 为特征方程的 重根 |
|
形式二
| 和特征方程的关系 |
特解形式 |
| 不为特征方程的根 |
|
| 为特征方程的单根 |
|
| 为特征方程的 重根 |
|