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求解一阶线性微分方程$y' = -2x + 3y - 5$的完整解

求解一阶线性微分方程$y' = -2x + 3y - 5$的完整解

嘿,我来一步步给你拆解这个微分方程的解法,咱们用特解+齐次通解的思路来搞定它,这也是Khan Academy里Sal用到的方法哦~

首先,咱们先把原方程整理成一阶线性微分方程的标准形式:
$y' - 3y = -2x - 5$

第一步:找方程的一个线性特解

因为方程右边是关于x的一次多项式,所以咱们可以假设特解是一个线性函数:$y_p = mx + b$(m和b是待求的常数)

把$y_p$代入原方程:

  • 先算$y_p' = m$
  • 代入$y' = -2x + 3y -5$,得到:
    $m = -2x + 3(mx + b) - 5$

接下来把右边的式子整理成x的多项式形式:
$m = (3m - 2)x + (3b - 5)$

因为这个等式对所有x都成立,所以等式两边x的系数和常数项必须分别相等,这样就能得到两个方程:

  • x的系数:$3m - 2 = 0$(左边x的系数是0,右边是3m-2,两者必须相等)
  • 常数项:$3b - 5 = m$(左边常数项是m,右边是3b-5,两者必须相等)

解这两个方程:

  • 从第一个方程$3m -2=0$,轻松算出$m = \frac{2}{3}$
  • 把$m = \frac{2}{3}$代入第二个方程:$3b -5 = \frac{2}{3}$,移项得$3b = 5 + \frac{2}{3} = \frac{17}{3}$,所以$b = \frac{17}{9}$

这样咱们就得到了特解:$y_p = \frac{2}{3}x + \frac{17}{9}$,不过这只是方程的一个解,完整的解还得加上齐次方程的通解。

第二步:求齐次方程的通解

原方程对应的齐次方程是把右边的非齐次项去掉,也就是$y' - 3y = 0$,这个方程很好解:

  • 分离变量得$\frac{dy}{y} = 3dx$
  • 两边积分:$\ln|y| = 3x + C_1$
  • 整理后得到齐次通解:$y_h = Ce^{3x}$,其中C是任意常数($C = \pm e^{C_1}$)

第三步:写出完整的通解

一阶线性非齐次微分方程的通解是特解+齐次通解,所以最终的完整解是:
$y = \frac{2}{3}x + \frac{17}{9} + Ce^{3x}$

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Trig

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