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利用拉普拉斯变换求解二阶常系数非齐次线性微分方程的步骤正确性排查

利用拉普拉斯变换求解二阶常系数非齐次线性微分方程的步骤正确性排查

嘿,我来帮你检查拉普拉斯变换的步骤啦!你目前完成的开头部分完全没问题,咱们一步步捋清楚:

首先你给出的原方程是:
$$\frac{d2y}{dt2}+4\frac{dy}{dt}+4y=e^{-2t},y(0)=1,y'(0)=0$$

你将其整理为标准形式 $y'' +4y'+4y=e^{-2t}$,然后对等式两边取拉普拉斯变换、拆分线性组合的变换,这几步都做得很对——拉普拉斯变换的线性性质用得相当到位,没毛病!

接下来你查拉普拉斯变换表得到的几个核心公式也完全正确:
$$\begin{align}
\mathcal L \lbrace y'' \rbrace &: s^2\mathcal L \lbrace y \rbrace - sy(0)-y'(0) \
\mathcal L \lbrace y' \rbrace &: s\mathcal L \lbrace y \rbrace - y(0) \
\mathcal L \lbrace e^{-2t} \rbrace &: \frac{1}{s+2}
\end{align}$$

咱们继续把初始条件代入推进,设 $Y(s) = \mathcal L \lbrace y \rbrace$,代入 $y(0)=1$,$y'(0)=0$:

  • $\mathcal L \lbrace y'' \rbrace = s^2Y(s) - s\cdot1 - 0 = s^2Y(s) - s$
  • $4\mathcal L \lbrace y' \rbrace = 4\left(sY(s) - 1\right) = 4sY(s) - 4$
  • $4\mathcal L \lbrace y \rbrace = 4Y(s)$

把这些代入变换后的等式,右边是 $\frac{1}{s+2}$,整体等式变为:
$$s^2Y(s) - s + 4sY(s) - 4 + 4Y(s) = \frac{1}{s+2}$$

合并含 $Y(s)$ 的项:
$$Y(s)(s^2 + 4s + 4) - s - 4 = \frac{1}{s+2}$$

注意到 $s^2 +4s +4=(s+2)^2$,移项后得到:
$$Y(s)(s+2)^2 = \frac{1}{s+2} + s + 4$$

对右边通分并化简分子:
$$Y(s)(s+2)^2 = \frac{1 + (s+4)(s+2)}{s+2} = \frac{s^2+6s+9}{s+2} = \frac{(s+3)^2}{s+2}$$

两边除以 $(s+2)^2$,得到 $Y(s)$ 的表达式:
$$Y(s) = \frac{(s+3)2}{(s+2)3}$$

接下来拆分分式方便做逆拉普拉斯变换,把分子展开为 $(s+2+1)2=(s+2)2 + 2(s+2) +1$,则:
$$Y(s) = \frac{(s+2)^2 + 2(s+2) +1}{(s+2)^3} = \frac{1}{s+2} + \frac{2}{(s+2)^2} + \frac{1}{(s+2)^3}$$

最后查逆变换表,结合公式 $\mathcal L^{-1}\left{\frac{1}{s+a}\right} = e^{-at}$、$\mathcal L{-1}\left{\frac{1}{(s+a)2}\right}=t e^{-at}$、$\mathcal L{-1}\left{\frac{1}{(s+a)3}\right}=\frac{1}{2}t^2 e^{-at}$,代入 $a=2$ 得到原方程的解:
$$y(t) = e^{-2t} + 2t e^{-2t} + \frac{1}{2}t^2 e^{-2t} = e^{-2t}\left(1 + 2t + \frac{1}{2}t^2\right)$$

你之前的步骤到代入变换公式阶段都是完全正确的,要是后续卡壳,照着上面的流程推进就好啦!

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Kernel Sanders

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