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6.5 可降阶的高阶方程

§\S6.5 可降阶的高阶方程#

一、y(n)=f(x)y^{(n)}=f(x)(不显含 y,y(1),,y(n1)y,y^{(1)},\cdots,y^{(n-1)}#

特点:等式右边不含 yyyy',仅为关于 xx 的函数

方法:连续积分

#

解方程 y=xexy''=xe^x

解:(y)=xex(y')'=xe^x

y=xexdx=xexex+C1\begin{align*} y'&=\int xe^x\mathrm dx\\ &=xe^x-e^x+C_1 \end{align*}y=(xexex+C1)dx=xexexex+C1x+C2=xex2ex+C1x+C2\begin{align*} y&=\int(xe^x-e^x+C_1)\mathrm dx\\ &=xe^x-e^x-e^x+C_1x+C_2\\ &=xe^x-2e^x+C_1x+C_2 \end{align*}

二、y=f(x,y)y''=f(x,y')(不显含 yy#

特点:右端不含 yy

方法:令 p(x)=y,p(x)=yp(x)=y',p'(x)=y''

p=f(x,p)p'=f(x,p),是 pp 关于 xx 的一阶方程

#

解方程 yy=2exy''-y'=2e^x

解:令 p(x)=yp(x)=y', pp=2exp'-p=2e^x, p=Cexp=Ce^x

p=C(x)exp=C(x)e^x 代入:

C(x)ex+C(x)exC(x)ex=2exC(x)=2C(x)=2x+C\begin{align*} C'(x)e^x+C(x)e^x-C(x)e^x&=2e^x\\ C'(x)&=2\rightarrow C(x)=2x+C \end{align*}

再次代回:

y=(2x+C)exy=(2x+C)exdx=2(xexex)+Cex+C1\begin{align*} y'&=(2x+C)e^x\\ y&=\int (2x+C)e^x \mathrm dx\\ &=2(xe^x-e^x)+Ce^x+C_1 \end{align*}

三、y=f(y,y)y''=f(y,y')(不显含xx#

特点:右端不含 xx

方法:令 y=dydx=py=dpdxy'=\dfrac{\mathrm dy}{\mathrm dx}=p\Rightarrow y''=\dfrac{\mathrm dp}{\mathrm dx}

代入原方程得 pdpdy=f(y,p)p\dfrac{\mathrm dp}{\mathrm dy}=f(y,p),这是一个关于 yypp 的一阶方程,且 y=p=ψ(y,c1)y'=p=\psi(y,c_1)

这是一个可分离变量的一阶方程,积分得到:

dyψ(y,c1)=x+c2\displaystyle \int \dfrac{\mathrm dy}{\psi(y,c_1)}=x+c_2

所求即为原方程的通解

#

解方程 yyy2=0y\cdot y''-y'^2=0

解:令 q(y)=yq(y)=y'

y=qqyqqq2=0yq=qdqq=dyyq=cy=y=dydxdyy=C1dxlny=C1x+C2y=CeC1x\begin{align*} y''&=q'q\\ yq\cdot q'-q^2&=0\\ yq'&=q\\ \dfrac{\mathrm dq}{q}&=\dfrac{\mathrm dy}{y}\\ q=cy=y'&=\dfrac{\mathrm dy}{\mathrm dx}\\ \dfrac{\mathrm dy}y&=C_1 \mathrm dx\\ \ln y&=C_1x+C_2\\ y&=C'e^{C_1x} \end{align*}
6.5 可降阶的高阶方程
https://gitee.com/jason_ren/advanced-math-note
作者
Jason Ren
发布于
2025-12-03
许可协议
CC BY-SA 4.0

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