微分算子法

微分算子

对于非齐次方程:

y^{\prime \prime}+p y^{\prime}+qy=f(x)

定义D为求导, \frac{1}{D} 为积分。则上式可写为:

D^{2} y+pD y+q y=f(x)

从而可推导出特解为:

y=\frac{1}{D^{2}+pD+q}f(x)

根据f(x)的不同,我们分成5种情况,下文将逐个讨论。

第一种情况

f(x)=k e^{\alpha x}

这种情况直接用 \alpha 替换D,例:

y^{\prime \prime}+y=3 e^{2 x}

\begin{aligned} y^{*} &=\frac{1}{D^{2}+1} 3 e^{2 x} \\ &=\frac{3}{5} e^{2 x} \end{aligned}

若用 \alpha 替换D后分母为0,需将分母求导,求导后在y的前面乘以x,例:

y^{\prime \prime}-3 y^{\prime}+2 y=e^{2 x}

\begin{aligned} y^{*} &=\frac{1}{\left(D^{2}-3 D+2\right)^{\prime}} e^{2 x} \\ &=x \frac{1}{2 D-3} e^{2 x} \\ &=x e^{2 x} \end{aligned}

第二种情况

f(x)=k \sin \alpha x \quad\text{或}\quad f(x)=k \cos \alpha x

这种情况用 -\alpha^2 替换 D^2 ,例:

y^{\prime \prime}+y=3 \sin 3 x

\begin{aligned} y^{*} &=\frac{1}{D^{2}+1} 3 \sin 3 x \\ &=\frac{1}{-9+1} 3 \sin 3 x \\ &=-\frac{3}{8} \sin 3 x \end{aligned}

对于分母中出现D的,可用平方差公式配出 D^2 ,例:

y^{\prime \prime}+3 y^{\prime}-2 y=\sin 2 x

\begin{aligned} y^{*} &=\frac{1}{D^{2}+3 D-2} \sin 2 x \\ &=\frac{1}{3 D-6} \sin 3 x\\ &=\frac{1}{3} \frac{D+2}{D^{2}-4} \sin 2 x \\ &=-\frac{1}{24}(D+2) \sin 2 x \\ &=-\frac{1}{12} \cos 2 x-\frac{1}{12} \sin 2 x \end{aligned}

第三种情况

f(x)=P_{n}(x)

这种情况用多项式除法处理一下 \frac{1}{D^{2}+pD+q} 即可,例:

y^{\prime \prime}+y=x^{2}-3 x+1

\begin{aligned} y^{*} &=\frac{1}{D^{2}+1}\left(x^{2}-3 x+1\right) \\ &=\left(1-D^{2}\right)\left(x^{2}-3 x+1\right) \\ &=x^{2}-3 x+1-2 \\ &=x^{2}-3 x-1 \end{aligned}

第四种情况

f(x)=e^{\alpha x} y(x)

运用位移公式将指数提前,后面就变成前三种情况了:

y^{*}=\frac{1}{F(D)} e^{\alpha x} y(x)=e^{\alpha x} \frac{1}{F(D+\alpha)} y(x)

例子:

y^{\prime \prime}+3 y^{\prime}-2 y=e^{x} \sin 2 x

\begin{aligned}y^{*}&=\frac{1}{D^{2}+3 D-2} e^{x} \sin 2 x\\ &=e^{x} \frac{1}{(D+1)^{2}+3(D+1)-2} \sin 2 x\\ &=e^{x}\frac{1}{D^{2}+5 D+2} \sin 2 x\\ &=e^{x} \frac{1}{5 D-2} \sin 2 x\\ &=e^{x} \frac{5 D+2}{25D^2-4} \sin 2 x\\ &=-\frac{1}{-104} e^{x}(5 D+2) \sin 2 x \\ &=-\frac{1}{52} e^{x}(5 \cos 2 x+\sin 2 x) \end{aligned}

第五种情况

f(x)=P_n(x)\sin \alpha x\quad\text{或}\quad f(x)=P_n(x)\cos \alpha x

这种情况用欧拉公式把三角函数变换成指数函数

e^{i x}=\cos x+i \sin x

替换后就是前文讲过的情况了。根据欧拉公式,若 \cos x 替换成 e^{i x} ,则多了个虚部,所以结果只取实部;若 \sin x 替换成 e^{i x} ,则多了个实部,所以结果只取虚部。

例:

y^{\prime \prime}+y=x \cos 2 x

\begin{aligned} & \frac{1}{D^{2}+1} x e^{2 i x} \\ =& e^{2 i x} \frac{1}{(D+2 i)^{2}+1} x \\ =& e^{2 i x} \frac{1}{D^{2}+4 i D-3} x \\ =& e^{2 i x}\left(-\frac{1}{3}-\frac{4}{9} i D\right) x \\ =&(\cos 2 x+i \sin 2 x)\left(-\frac{1}{3} x-\frac{4}{9} i\right) \end{aligned}

y^*\xlongequal{取实部}-\frac{1}{3} x \cos 2 x+\frac{4}{9} \sin 2 x

若把上题中 \cos 2 x 改为 \sin 2 x ,就取虚部:

y^{\prime \prime}+y=x \sin 2 x

y^*\xlongequal{取虚部}-\frac{4}{9} \cos 2 x-\frac{1}{3} x \sin 2 x

posted @ 2022-07-24 09:38:46
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