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参数变易法


对于一个二阶常微分方程

 y^('')+p(x)y^'+q(x)y=g(x).
(1)

假设线性独立解 y_1(x)y_2(x) 已知齐次方程

 y^('')+p(x)y^'+q(x)y=0,
(2)

并寻求 v_1(x)v_2(x) 使得

y^*=v_1y_1+v_2y_2
(3)
y^('*)=(v_1^'y_1+v_2^'y_2)+(v_1y_1^'+v_2y_2^').
(4)

现在,施加附加条件

 v_1^'y_1+v_2^'y_2=0
(5)

因此

y^('*)(x)=v_1y_1^'+v_2y_2^'
(6)
y^(''*)(x)=v_1^'y_1^'+v_2^'y_2^'+v_1y_1^('')+v_2y_2^('').
(7)

y^*y^*^'y^*^('') 代回原方程以获得

 v_1(y_1^('')+py_1^'+qy_1)+v_2(y_2^('')+py_2^'+qy_2)+v_1^'y_1^'+v_2^'y_2^'=g(x),
(8)

简化为

 v_1^'y_1^'+v_2^'y_2^'=g(x).
(9)

结合方程 (◇) 和 (9) 并同时求解 v_1^'v_2^',然后得到

v_1^'=-(y_2g(x))/(W(x))
(10)
v_2^'=(y_1g(x))/(W(x)),
(11)

其中

 W(y_1,y_2)=W(x)=y_1y_2^'-y_2y_1^'
(12)

朗斯基行列式,它是仅 x 的函数,因此可以直接积分得到

v_1=-int(y_2g(x))/(W(x))dx
(13)
v_2=int(y_1g(x))/(W(x))dx,
(14)

可以代入以给出特解

 y^*=v_1y_1+v_2y_2.
(15)

推广到 n 阶 ODE,设 y_1, ..., y_n 为齐次 ODE 的解,并选择 v_1^'(x), ..., v_n^'(x) 使得

 {y_1v_1^'+y_2v_2^'+...+y_nv_n^'=0; y_1^'v_1^'+y_2^'v_2^'+...+y_n^'v_n^'=0; |; y_1^((n-1))v_1^'+y_2^((n-1))v_2^'+...+y_n^((n-1))v_n^'=g(x).
(16)

则特解为

 y^*(x)=v_1(x)y_1(x)+...+v_n(x)y_n(x),
(17)

另请参阅

常微分方程, 二阶常微分方程

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请引用为

Weisstein, Eric W. "参数变易法。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/VariationofParameters.html

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