线性常微分方程:高阶与方程组
降阶法(reduction of order)
有时你已经知道二阶线性方程的一个解,却需要那个独立的第二解来补全图景。降阶法正是从第一个解里挤出第二个解的技术,它把一个二阶问题化为一个一阶问题——后者通常容易得多。
已知 y'' + p(x) y' + q(x) y = 0 的一个解 y_1,便寻求形如 y_2 = v(x) y_1 的第二解。代入并利用 y_1 本已满足方程,所有不含 v 之导数的项相消,留下一个关于 v' 的一阶方程——阶数降了一阶。解它给出标准公式 y_2 = y_1 乘以 对 [ e^(-对 p 的积分) / y_1^2 ] 的积分。两个解自动无关,故 { y_1, y_2 } 是一组基本解。
降阶法是若干熟悉结果背后的主力:它解释了为何重特征根会产生多出的因子 x(取 y_1 = e^(r x),那个积分给出 x e^(r x)),也是在由级数得到第一个解后求特殊函数方程第二解的标准途径。它还适用于某些缺少因变量或自变量的非线性方程,那里代换 p = y' 可直接降阶。
x^2 y'' - 3x y' + 4y = 0 有已知解 y_1 = x^2(重根情形)。以 y_2 = v x^2 作降阶,得 y_2 = x^2 ln x,补全基本解组 { x^2, x^2 ln x }。
由一个已知解,降阶法制造出第二个独立解。
降阶法需要先把方程化为标准形式 y'' + p y' + q y = 0(首项系数为 1)再读出 p;用未归一化的 p 是导致第二解错误的常见根源。
又称
另见