常微分方程考研讲义第四章 高阶微分方程

解:应用常数变易法,令

x?c1(t)cost?c2(t)sint

''将它代入方程,则可得决定c1(t)和c2(t)的两个方程:

?(t)?sintc2?(t)?0 costc1?(t)?costc2?(t)??sintc1?(t)??解得 c11 costsint?(t)?1 c2cost由此 c1(t)?lncost??1 c2(t)?t??2 于是原方程的通解为

x??1cost??2sint?costlncost?tsint

其中?1,?2为任意常数。

例4 求方程tx???x??t2于域t?0上的所有解。 解:对应的齐线性方程为tx???x??0

容易直接积分求得它的基本解组。事实上,将方程改写为

x??1? x?t积分即得x??At。所以x?12At?B,这里A,B为任意常数。易见有基本解组1,2t2。为应用上面的结论,我们将方程改写为

1x???x??t

t''并以x?c1(t)?c2(t)t2代入,可得决定c1(t)和c2(t)的两个方程

?(t)?t ?(t)?t2c2?(t)?0及2tc2c1于是 c2(t)?11t??2 c1(t)??t3??1 26故得原方程的通解为

1x??1??2t2?t3

3这里?1,?2为任意常数。根据定理7,它包括了方程的所有解。

§4.2 常系数线性方程的解法

讨论常系数线性方程的解法时,需要涉及实变量的复值函数及复指数函数的问题,我们在4.2.1中预先给以介绍。 4.2.1 复值函数与复值解

如果对于区间a?t?b中的每一实数t,有复数z(t)??(t)?i?(t)与它对应,其中?(t)和?(t)是区间a?t?b上定义的实函数,i是虚数单位,我们就说在区间a?t?b上给定了一个复值函数z(t)。如果实函数?(t),?(t)当t趋于t0时有极限,我们就称复值函数z(t)当t趋于t0时有极限,并且定义

limz(t)?lim?(t)?ilim?(t)

t?t0t?t0t?t0如果limz(t)?z(t0),我们就称z(t)在t0连续。显然,z(t)在t0连续相当于?(t)、

t?t0?(t)在t0连续。当z(t)在区间a?t?b上每一点都连续时,就称z(t)在区间a?t?bz(t)?z(t0)上连续。如果极限lim存在,就称z(t)在t0有导数(可微)。且记此极限为

t?t0t?t0dz(t0)或者z?(t0)。显然z(t)在t0处有导数相当于?(t)、?(t)在t0处有导数,且 dtdz(t0)d?(t0)d?(t0)??i dtdtdt如果z(t)在区间a?t?b上每点都有导数,就称z(t)在区间a?t?b上有导数。对于高阶导数可以类似地定义。

设z1(t),z2(t)是定义在a?t?b上的可微函数,c是复值常数,容易验证下列等式成立:

dz(t1)dz(t2)dz(t)?z(t)?? ?1?2dtdtdtdz(t)d?cz1(t)??c1 dtdtdz(t)dz(t)d?z1(t)?z2(t)??1?z2(t)?z1(t)?2 dtdtdt在讨论常系数线性方程时,函数eKt将起着重要的作用,这里K是复值常数,我们现在给出它的定义,并且讨论它的简单性质。

设K???i?是任一复数,这里?,?是实数,而t为实变量,我们定义

eKt?e(??i?)t?e?t(cos?t?isin?t)

有上述定义立即推得

cos?t?1i?t1(e?e?i?t) sin?t?(ei?t?e?i?t) 22i并且用K???i?表示复数K???i?的共轭复数。

此外,还可容易证明函数eKt具有下面的重要性质:

e(K1?K2)t?eK1t?eK2t

deKt?KeKt,其中t为实变量 dtdnKtnKt(e)?Ke ndt由此可见,实变量的复值函

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