特征法解二阶常系数线性齐次微分方程的问题

在特征方程解出两个共轭复根时,为什么解出的实部和虚部是两个特解?

这个问题要说清楚,还真不容易。下面我试试看,能不能讲清楚。

1、我们在学微积分时,无论求导,还是积分,最主要的公式不超过10个,
例如:ax^n,sinx,cosx,lnx,e^x,arcsinx,arctanx。
有了这七个的求导、积分公式,再配合三个Rule:
Product Rule = 积的求导法则;Quotient Rule = 商的求导法则;
Chain Rule = 链式求导法则。然后结合几种最基本的变量代换,
就能应付一般的大学考试了。

2、在这些最基本的方法中,最可爱的函数是e^x,它是打不死的李逵,
打不死的吴青华, 无论怎样求导,无论怎样积分,永远不改变函数
的形式,求导前、求导后,积分前、积分后,都是一样的。

其次是sinx和cosx,求导来求导去,积分来积分去,sinx变成cosx,
cosx变成-sinx,连续四次求导,或连续四次积分后,又变回原形。

3、正因为e^x,sinx、cosx有这些特色,我们在很多情况下的微分方程
就不需要解答了:
例一:d²y/dx² + ω²y = 0,表示一个函数求导两次后,跟自己原来
的函数只是相差一个负号和一个常数倍,立刻的联想一定是
正弦或余弦函数。如2sin3x,两次求导后变成-18sin3x,函数
形式一样,相差9倍。那个ω²就是3² 。
y = 2sinωx,y“ = -2ω²sinω²x,y” + y = -2ω²sinω²x + ω²(2sinωx) = 0。
简谐振动就是这类方程的解。
例二:d²y/dx² - ω²y = 0,这个方程不同于例一,连续两次求导后符号
是一样的,它一定不是sinx或cosx,一定是e^x或e^(-x),这类运动
不是受迫振动,就是阻尼振动。

4、齐次线性常系数常微分方程,因为是常系数,又因为是齐次,还是线性的,
所以,可以肯定这类方程的解不是由e^x、e^(-x)组成,就是由sinx、cosx
组成,或者由它们联合起来的形式组成。

原因很简单:
只有这三个函数,求导来、求导去,相差的只是一个常数的倍数。

因为是线性的,所以三角函数的倍角公式、半角公式不可能出现,也就是
正弦、余弦的自变量不可能发生变化。同样地,e^x、e^(-x)的幂次也不会发
生任何变化。

因为是常系数的,无论求导几次,结果只有常数倍数差。

因为是齐次的,无论多少个解的叠加,结果都是0。

5、正因为是常系数的、线性的,更由于是齐次的,假设解已经求出来了,代入

微分方程后,,因为是齐次的原因,函数可以统统约分约去,剩下的只是一个
代数方程而已,这个代数方程的根可能是实根,可能是虚根。无论是实根,还
是须根,代入方程一定是成立的。由于复数理论中已经证明,共轭conjugate是
同时存在的,也就是共轭根是成对出现的。

6、e^x、e^(-x)、sinx、cosx作为解函数,最简单的组合是加减,最复杂的乘积,
我们通过乘积再配以常数,例如:(c₁x + c₂)(e^x)sin3x + (c₃x + c₄)(e^x)cos3x,
就把所有可能的组合都表达出来了。

综合以上所述,楼主的问题就能解释,就能理解了。

不过,不知道楼主有没有被搞晕了?要仔仔细细考虑后才能理解微分方程的真谛。

常微分方程、偏微分方程、复变函数,就组成了数学物理方法。
也就是说,每一个数学方程的背后,每一个数学方法的背后,都离不开物理的模型,
都离不开物理理论的支持。也就是说,学数学,学深了,其实离不开物理的思想,
离不开物理的方法,所以称为数学物理方法,而方程就称为数学物理方程。

楼主所问的问题,看起来是数学问题,而实质是跟物理相关的。只是一般的教科书,
一般的数学老师,是不可能从物理角度去讲解数理方法的。

欢迎追问,欢迎讨论。
温馨提示:答案为网友推荐,仅供参考
第1个回答  2013-03-01
这源自于方程是线性的。线性是什么意思呢?就是随便两个特解A、B,线性组合aA+bB还是特解。
共轭复根出来以后,解出的两个函数特解A、B也是互相共轭的,那么实部Re=(A+B)/2、虚部Im=(A-B)/2i都是A、B的线性组合,自然也是特解。
相似回答