二阶微分方程的通解公式根据其类型(齐次或非齐次)和特征根的情况有所不同。以下是几种常见情况的通解公式:
二阶常系数齐次线性微分方程
特征方程为:λ^2 + pλ + q = 0。
根据特征方程的根(r1, r2)情况,通解公式如下:
两个不相等的实根:y = C1e^(r1x) + C2e^(r2x)
两根相等的实根:y = (C1 + C2x)e^(r1x)
一对共轭复根:r1 = α + iβ, r2 = α - iβ,则 y = e^(αx)(C1cosβx + C2sinβx)
二阶常系数非齐次线性微分方程
一般形式为:y'' + py' + qy = f(x),其中f(x)是定义在区间I上的连续函数。
特解形式取决于非齐次项f(x)的形式,常见的特解形式有:
e^(mx) 形式的特解,适用于 Ay'' + By' + Cy = e^mx
a*sinx + b*cosx 形式的特解,适用于 Ay'' + By' + Cy = a*sinx + b*cosx
mx + n 形式的特解,适用于 Ay'' + By' + Cy = mx + n
示例
对于二阶常系数齐次线性微分方程 2y'' + y' - y = 0,其特征方程为 λ^2 + λ - 1 = 0,解得 λ1 = 0.5, λ2 = -1。因此,通解为:
y = C1e^(0.5x) + C2e^(-x)
对于二阶常系数非齐次线性微分方程 2y'' + y' - y = e^x,其特解形式为 y* = Ae^x,代入原方程得 A(2e^x + e^x - e^x) = e^x,解得 A = 1/2。因此,特解为 y* = (1/2)e^x,通解为:
y = C1e^(0.5x) + C2e^(-x) + (1/2)e^x
建议
在实际应用中,首先要确定微分方程的类型(齐次或非齐次),然后根据特征方程的根的情况选择合适的通解公式,并考虑非齐次项的形式选择特解形式。通过这些步骤,可以系统地求解二阶微分方程。