线性常微分方程:高阶与方程组
待定系数法(method of undetermined coefficients)
要找常系数非齐次常微分方程的一个特解,你并不需要一台通用机器——对良好的强迫项,你可以直接猜出答案的形态、把数字留空,再让方程把它们填上。若强迫是多项式,就猜多项式;若是 e^(2x),就猜 A e^(2x);若是 cos x,就猜 A cos x + B sin x。然后代入,解出未知系数。
该法之所以奏效,是因为这些特定函数的导数仍留在同一族里。对多项式求导仍得多项式;对 e^(2x) 求导得它自身的倍数;对正弦余弦求导仍得正弦余弦。于是带待定系数、属于同族的试探解必然自洽。你把猜测代入 L[y] = g,令两边同类项的系数相等,解出由此得到的代数方程组。有一处关键修正:若你的猜测已经是齐次方程的解,就乘以 x(重根则乘 x^2),使它不被算子消零。
这是处理工程中常规强迫的最快方法——常值或正弦驱动力、指数输入、多项式载荷。它的局限既诚实又明确:只有当强迫 g(x) 是多项式、指数、正弦/余弦或它们之积时才成立。对像 tan x 或 1/x 这样的强迫,没有任何有限族的猜测能自洽,你只能退回到对任意连续 g 都成立的参数变易法。
对 y'' + y = e^(2x),猜 y_p = A e^(2x)。则 4A + A = 1,故 A = 1/5,y_p = e^(2x)/5。(若强迫为 e^(i x)——它本已是齐次解——则改试 x 乘以该形态。)
猜出同族、代入、配系数——若猜测与齐次解重叠,则乘以 x。
当试探解与齐次解重合时忘记“乘以 x”规则,是最常见的错误;它会导致 0 = 非零、得不到可解的系数。
又称
另见