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




