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微分方程 (Differential Equation):
- 含义: 包含未知函数及其导数(或微分)的方程。
- 例子:
dy/dx = 2x
(未知函数是y(x)
,导数是dy/dx
),d²y/dt² + 2 dy/dt + y = 0
(未知函数是y(t)
,导数是dy/dt
和d²y/dt²
)。
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线性 (Linear):
- 含义: 这是对微分方程中未知函数及其各阶导数出现形式的限制。一个微分方程是线性的,当且仅当:
- 未知函数
y
及其所有导数y', y'', ..., y⁽ⁿ⁾
在整个方程中都只以一次幂(线性) 的形式出现。 - 这些项不能互相乘除。
- 不能包含未知函数或其导数的非线性函数(如
(y')²
,sin(y)
,y * y''
,eʸ
,√y
等)。
- 未知函数
- 核心性质: 线性微分方程满足叠加原理:如果
y₁
和y₂
是方程的解,那么它们的任意线性组合c₁y₁ + c₂y₂
(其中c₁, c₂
是任意常数)也是该方程的解。 - 例子 (线性):
y'' + 3y' + 2y = 0
(y
,y'
,y''
都是一次项)x² y''' - sin(x) y' + eˣ y = 0
(虽然系数x²
,-sin(x)
,eˣ
是x
的函数,但y
,y'
,y'''
都是一次项)
- 反例 (非线性):
(y')² + y = 0
((y')²
是y'
的二次项)y * y'' + y' = 0
(y
和y''
相乘)y'' + sin(y) = 0
(sin(y)
是y
的非线性函数)
- 含义: 这是对微分方程中未知函数及其各阶导数出现形式的限制。一个微分方程是线性的,当且仅当:
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齐次 (Homogeneous):
- 含义: 在线性微分方程的语境下,“齐次”特指方程中不包含仅由自变量构成的项(即“自由项”或“非齐次项”)。简单说,就是等号右边恒等于零。
- 形式: 方程的标准形式是
L[y] = 0
,其中L
是一个线性微分算子(作用于y
及其导数的线性组合)。 - 例子 (齐次):
y'' + 4y' + 3y = 0
t² d²x/dt² - t dx/dt + 5x = 0
- 反例 (非齐次):
y'' + 4y' + 3y = eᵗ
(右边是eᵗ
,非零)y'' + 4y' + 3y = 5
(右边是常数5
,非零)y'' + 4y' + 3y = sin(t)
(右边是sin(t)
,非零)
-
常系数 (Constant Coefficients):
- 含义: 方程中未知函数
y
及其各阶导数y', y'', ..., y⁽ⁿ⁾
前面的系数(乘数)都是常数(不依赖于自变量x
或t
)。 - 例子 (常系数):
3y'' - 2y' + 7y = 0
(系数3
,-2
,7
都是常数)y''' + 5y' + y = 0
(系数1
(隐含),5
,1
都是常数)
- 反例 (变系数):
x² y'' + x y' + y = 0
(系数x²
,x
依赖于自变量x
)y'' + (sin t) y' + t y = 0
(系数sin t
,t
依赖于自变量t
)
- 含义: 方程中未知函数
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n阶 (n-th Order):
- 含义: 指方程中出现的未知函数的最高阶导数的阶数是
n
。 - 重要性:
n
阶微分方程的通解中通常包含n
个相互独立的任意常数。这n
个常数需要由n
个初始条件或边界条件来确定特解。 - 例子:
dy/dx = 2x
(最高阶导数是dy/dx
,阶数为 1,是一阶方程)d²θ/dt² + (g/L) sinθ = 0
(最高阶导数是d²θ/dt²
,阶数为 2,是二阶方程)注意:这个是非线性的(因为sinθ
)d⁴y/dx⁴ - 16y = 0
(最高阶导数是d⁴y/dx⁴
,阶数为 4,是四阶方程)
- 含义: 指方程中出现的未知函数的最高阶导数的阶数是
总结:
一个 n阶常系数齐次线性微分方程 是指一个具有以下所有特征的微分方程:
- 包含未知函数及其导数。 (微分方程)
- 未知函数及其各阶导数在方程中仅以一次幂(线性)形式出现,且不互相乘除。 (线性)
- 方程等于零,没有仅由自变量构成的非零项。 (齐次)
- 未知函数及其各阶导数前面的系数都是常数。 (常系数)
- 方程中出现的最高阶导数的阶数是
n
。 (n阶)
标准形式:
这种方程的标准形式可以写成:
aₙ * dⁿy/dxⁿ + aₙ₋₁ * dⁿ⁻¹y/dxⁿ⁻¹ + ... + a₁ * dy/dx + a₀ * y = 0
其中:
y
是未知函数(通常是x
或t
的函数)。dᵏy/dxᵏ
是y
的k
阶导数。aₙ, aₙ₋₁, ..., a₁, a₀
都是常数 (aₙ ≠ 0
)。- 方程右边是 0 (齐次)。
- 最高阶导数是
dⁿy/dxⁿ
(n阶)。
理解这些术语是求解和分析这类微分方程的基础,因为它们决定了方程解的结构(通解包含 n
个独立任意常数)和求解方法(如特征方程法)。