线性常微分方程:高阶与方程组
齐次解加特解(homogeneous plus particular solution)
推一个孩子荡秋千,完整的运动有两种成分:秋千自身固有的摆动(即使不推也会发生,并依摩擦或慢慢消退或持续),以及由你有节奏的推动所强迫出的稳定响应。线性非齐次常微分方程的完整解恰恰是这种两部分的形态,认出它就能精确告诉你必须找什么、又如何拼出答案。
定理:L[y] = g(x) 的通解是 y = y_h + y_p,其中 y_h 是齐次方程 L[y] = 0 的通解(它带着全部任意常数,本身是一组基本解的叠加),而 y_p 是 L[y] = g 的任意一个特解。理由很短:若 y 与 y_p 都满足 L[y] = g,则它们的差满足 L[y] = 0,因而是某个 y_h;于是 y = y_h + y_p。y_h 部分提供满足初值或边值条件所需的自由度;y_p 部分刻画强迫响应。
这种拆分是本领域所有线性常微分方程解法的总纲。你由特征方程(常系数情形)或其他方法求 y_h,再由待定系数法或参数变易法求 y_p。在振动问题中它具有清晰的物理意义:y_h 是衰减的暂态(自由振动),y_p 是系统在持续强迫下趋向的稳态——这往往是工程师最终关心的部分。
对 y'' - y = 4:齐次解 y_h = c_1 e^x + c_2 e^(-x);一个特解 y_p = -4(常数)。通解 y = c_1 e^x + c_2 e^(-x) - 4,其中 c_1、c_2 由初值条件确定。
任意常数全部寄存在 y_h 中;y_p 添上强迫部分。
初值条件只能施加在完整解 y_h + y_p 上,绝不能只施加在 y_h 上——在加上 y_p 之前就用 y_h 去配常数,是会给出错误数值的典型错误。
又称
另见