二阶微分方程解法.pdf
《二阶微分方程解法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《二阶微分方程解法.pdf(20页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、毕毕 业业 论论 文(设文(设 计)计)题题目:目:二阶常微分方程的解法二阶常微分方程的解法院(系、部):院(系、部):数学科学与应用学院数学科学与应用学院专专业:业:数学与应用数学数学与应用数学摘要摘要:本文主要是介绍了二阶常微分方程众多解法中的三种,分别为特征方程法,拉普拉斯变换法和常数变易法,研究并讨论了二阶常微分方程在特征方程法中特征方程根为实根,复根和重根的情形。我们选用了弹簧振子系统的振子运动,用这三种不同的方法来解决该问题。关键词关键词:二阶常微分方程;特征根法;常数变易法;拉普拉斯变换Abstract:Abstract:The main purpose of this pape
2、r is the second-order ordinary manydifferential equation solution of three,respectively as the characteristic equationmethod,Laplace transform method and variation of constants method,study anddiscuss the second-order often differential equation in the characteristic equationof the roots of the char
3、acteristic equation for real roots,complex roots and rootweight.We choose the spring oscillator the oscillator motion,these threedifferent methods to solve the problem.Keywords:Keywords:second order ordinary differential equation;Characteristic analysis;constant variation method;Laplasse transform1目
4、录1 绪论.31.1 二阶常微分方程的起源和发展史.31.2 二阶常微分方程的介绍.31.3 研究二阶常微分方程的目的与意义.42 二阶常系数常微分方程的几种解法.52.1 特征方程法.5 2.1.1 特征根是两个实根的情形.5 2.1.2 特征根有重根的情形.62.2 常数变易法.72.3 拉普拉斯变换法.93 二阶常微分方程解法的应用(分析例题).113.1 特征方程法.113.2 常数变易法.133.3 拉普拉斯变换法.144 结论和启示.16谢 辞.18参考文献.1921 绪论1.1 二阶常微分方程的起源和发展史既然说到了微分方程,就不能不提到海王星的故事,它的发现是人类智慧的硕果,微
5、分方程在其中扮演了重要的角色,并且在其中也包含数学演绎法的作用。在发现了天王星之后,进行天文观测的人们发现它所处的位置总是和万有引力计算出的位置有些许不同,于是有人质疑万有引力定律的正确性。但也有一部分人认为,这也可能是天王星在受到一颗尚未发现的行星的吸引力才会造成的改变。不少人坚信这种假设是正确的,但却很少有人找到了正确的方法并付诸实践。而英国的一个学生亚当斯显然不是其中之一,他勇敢接受了这项任务,运用手头仅有的资料建立起微分方程,成功求出了海王星的位置与下次出现的时间。1843 年 10 月 21 日,满怀信心的亚当斯把结果寄给了天文台长艾利,但换来的却是质疑,艾利并不相信籍籍无名的他。然
6、而在两年后,另一名青年勒威耶也计算出了同样的数据,并把计算的结果给予了位于柏林天文台的助理员卡勒,在那个值得铭记的夜晚,卡勒在计算出的位置上发现了第七颗行星海王星。从二十世纪三十年代以来,常微分方程的研究像是走上了快车道,迅速发展并建立起了多个分支。19271945 年期间定性理论的主要研究是与无线电技术紧密联系在一起的。在第二次世界大战期间由于对通讯等方面的需求越来越高,极大地激发了对无线电技术的研究进展,尤其是对非线性振动理论的研究取得了迅速的发展。在四十年代之后各国大部分数学家们主要在研究对抽象动力系统的拓扑特征,例如闭轨的存在性、结构的稳定性等,对于二维系统来说,我们可以通过一些方法证
7、明他的结构稳定性;而对于一般的系统来说这个问题依旧困扰着我们。在动力系统的研究方面,目前采用的办法是从典范方程组到阻碍集有详尽的理论指导,成功解决了一系列困扰人类多年的问题,其中最为突出的是 C封闭引理的证明,以及对结构稳定性的充要条件等方面都作出了杰出贡献。在当今社会,由于信息技术的飞速发展,大量的领域需要用到常微分方程组进行描述。前赴后继的杰出的学者们,为了各种稳定性及专业问题,终其一生都在研究常微分方程,也取得了不朽的成就,但依然有很大的疑问等着我们去解开。1.2 二阶常微分方程的介绍二阶微分方程在时间上大致与微积分同时产生。对于初学者来说,y f(x)这样的问题就是最简单的微分方程了。
8、二阶常系数线性微分方程是形如y py qy f(x)的微分方程。与其对应的二阶常系数齐次线性微分方程为y py qy 0,其中p,q是实常数。若函数y1和y2之比为常数,称y1和y2是线性相关的;若函数y1和y2之比不为常数,称y1和y2是线性无关的。31.3 研究二阶常微分方程的目的和意义就如上文所说,研究二阶常微分方程已经取得了不少成就,尤其是在对方程的求解方面。与此同时应用常微分方程的理论也经过大家的不懈努力,取得了丰硕的成果。但是对于进一步的发展所需,还是小巫见大巫,所以我们要更加努力的钻研,努力地完善这门学科的理论系统。在数学的发展历史中,数学分析占有非常重要的地位,我们大学学习的课
9、程也都是以数学分析作为基础,而微分方程正是数学分析的关键所在。同时它也发展出了数学分析中大部分思想以及理论。众所周知的,常微分方程自始至终都是人类用来探索自然变换,研究自身社会结构,工程问题以及大自然的生态结构的便利的道具。常微分方程由于与现实生活息息相关,所以对其的研究一直没有停止过,而且表现出欣欣向荣的活力。并且在多个学术领域中,常微分方程都占着决定性的作用,可以说常微分方程带领着人类的进步。而二阶常微分方程同样在常微分方程的整套理论中有着弥足轻重的地位,在各个研究领域中都有十分广泛的应用。42 二阶常系数常微分方程的几种解法2.1 特征方程法特征方程法中的特征方程,是为了对相对应的数学对
10、象进行深入的研究而人为引入的一些等式,当研究的对象改变时,它也会改变,这其中包括数列特征方程,微分方程特征方程和积分方程特征方程等等。d2xdx求微分方程2 p qx 0的通解。dtdt解:特征方程2 p q 0的根1,2,(1)若1,2是两个不相等的实根,那么上面这个微分方程就拥有两个实值解e1t,e2t,于是我们可以求得其通解为x c1e1tc2e2t(c1,c2为常数).(2)若1,2相等,则该方程有二重根,因此方程的通解具有形状如x c1e1tc2e1t(c1,c2为常数).(3)若1,2为共轭复根z a bi的情况,则该方程的通解具有形状x eat(c1sinbt c2cosbt)(
11、c1,c2为常数).在数学中,许多公式与定理都需要进行证明,下面本文给出前两个解答的理论依据及证明过程。2.1.1 特征根是两个实根的情形设1,2为该特征方程的两个不等实根,那么我们可以得出与之对应的方程的两个解为e1t,e2t,我们确定这两个解在a t b上线性无关,所以它们能够组成该方程的基本解组。事实上,这时w(t)e1te2t1e1t2e2t e(12)t1112,而上面最后一个行列式是著名的范德蒙德(Vandermonde)行列式,该行列式与(2-1)相等。由于在之前假设了21,所以此行列式不等于零,从而w(t)0,于是得5到e1t,e2t线性无关,这就是要证明的结论。而该方程的通解
12、即可表示为x c1e1tc2e2t(其中c1,c2为任意数).2.1.2 特征根为复根时讨论这个特征方程含有复根的情况,首先这个方程的系数为实数,同时也是常数,所以复根成对共轭出现。设1i是特征根之一,则2-i就是第二个特征根,根据这两个特征根我们就可以得到原方程的两个不同的实值解:e(i)t ei(cost isint),e(i)t eai(cost isint).根据定理,我们得到的复值解的实部和虚部与方程的解相同。那么由于这一对共轭d2xdx复根i对应于特征方程,可以求得方程2 p qx 0的两个实值解dtdteaicost,eaisint.2.1.3 特征根有重根的情形设特征方程有k重
13、根1则易得F(1)F(1)F(k1)(1)0,F(k)(1)0,先设1 0,表示特征方程有因子k,于是an an1 ank1 0,也就是该特征方程的形状为na1n1ankk 0,dnxdn1x而与其对应的方程Lxna1n1an1anx 0则变为dtdtdnydn1ydkya1n1ankk 0.dxndxdx易得它有k个解,t,t2,tk1,而它们是线性无关的。于是我们可以得出,特征方程中6的k重零根对应方程的k个彼此线性无关的解,t,t2,tk1。当这个k重根 0,我们作变量变换x ye1t,可注意到xmye1t可得mmm12m2m e1tymm1ym11y1y,2!L ye1tdny1tdn
14、1y1t,bb y e L y e1n1n1dtndt于是可将对应方程化为dnydn1ydn1yL1ynb1n1b1n1bny 0,dtdtdt而其中b1,b2,b3,bn仍为常数,其相应的特征方程为Gnb1n1bn1bn 0,直接进行计算易得F1e1t L e1t L1ete1t Ge1t,因此 F1 G,从而Fj(1)G,j 1,2,k.通过这样转化,问题就化为前面所讨论过的情况了。2.2 常数变易法接下来我们要说的是求解微分方程的一种极其重要的方法,常数变易法。我们在求解一阶线性微分方程时常常采用这种方法。这个办法的大体思想,是通过将常数N代入UX中来得到该方程的通解。看似简单,但拉格朗
15、日为之研究奋斗了11年,而我们所如今所采用的仅仅是他所得出的结论,证明过程省略了。它在非齐次线性微分方程和与其对应的齐次线性微分方程之间起着重要的链接作用。我们这里讨论的对一般二阶常微分方程的求解,要先得出该方程的一个特解,再用我们上面讲解的特征方程法求通解。d2xdx例题 求常微分方程2 p qx ft的通解。dtdt7d2xdx解方程2 p qx ft与其对应的齐次方程为dtdtd2xdx p qx 0,2dtdt其特征方程为2 p q 0.d2xdx由于2 p qx ft的通解根据理论可以得到就等于这个方程所对应的齐次dtdt线性微分方程的通解与求出的它本身的一个特解之和,而我们已经讨论
16、了二阶常系数齐次线性常微分方程的通解,所以只要再求出一个该方程本身的特解。2d xdx若为该方程的实根,则x e为方程2 p qx 0的解。根据常数变易法dtdttd2xdxt p qx f t的 其 中 一 个 解 为,代 入 原 方 程 并 进 行 化 简 得x c t e2dtdtct2 pct etft,这是即是关于ct的一阶线性微分方程,而其一个特解为c(t)e2pteptftdtdt,从而得到上面方程的一个特解为x ete2pteptftdtdt.讨论为该方程的复根的情况,可以设 a bia,bR,b 0,则x eatsinbt就是d2xdx原方程2 p qx fx的解,接下来用常
17、数变易法设其中的一个特解为dtdtd2xdxx cte sinbt,通过运用情形 1 解得方程2 p qx ft的一个特解为dtdtatp2atp2aef t esinbtdtatx e sinbtdt.2sin bt*x由于是特解,所以积分常量可以都取零。82.3 拉普拉斯变换法接下来要介绍的拉普拉斯变换法是一种积分变换法,又名为拉氏转换法。它是一个线性变换法,通过因数为实数tt 0,的函数中的实数转化为复数i。在某些情形下一个实变量函数在R中进行运算比较困难,若能将实变量函数进行拉普拉斯转换,并在复数域中进行各种运算,再使用拉普拉斯反变换来求得该方程或函数在实数域中的相应结果,是一种简便的
18、计算方法。拉普拉斯转换的运算步骤对于我们要求的解线性微分方程极其有效,它可以把微分方程转化为较易求解的代数方程来进行处理,使计算大幅度简化。在经典控制理论中,对于控制系统的分析但和综合等,都是立足在拉普拉斯转换的基础上的。我们引入拉普拉斯变换有一个主要优点,就是可以采用传递函数来代替常系数微分方程用以描述系统的特性。当我们要用图解来测定某些控制系统的整体特性并且分析该控制系统的运动过程等情况时,可以用上这种方法,一般来说比较简单。steftdt.由积分Fs0所定义的确定在复平面Re 上的复变数s的函数Fs,称其为函数ft的拉普拉斯转换,我们称ft为原函数,而将Fs称为像函数。拉普拉斯变换法主要
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 微分方程 解法
限制150内