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课程库 › Calculus 2 › S6 · 二阶微分方程 › 第 3 课

特征方程 —— 判别式三分天下

普通课约 50 分钟

本课导读

上一课把任务书压缩成一行:"找两个线性无关的解"。本课交付流水线:对常系数齐次方程 ay′′+by′+cy=0ay'' + by' + cy = 0,一个指数猜想把微分方程降维成一元二次方程——特征方程。初中学过的判别式 b2−4acb^2 - 4ac 在这里重获新生:大于零、等于零、小于零,对应三种长相完全不同的解,也预演着第 5、6 课弹簧世界的三种命运。这是全单元技术含量最高的一课,预计 50 分钟。

说明

前置工具箱:求根公式 r=−b±b2−4ac2ar = \dfrac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a} 与十字相乘;复数记号 i2=−1i^2 = -1;(erx)′=rerx(e^{rx})' = re^{rx};上一课的基本解组概念与 {erx,xerx}\{e^{rx}, xe^{rx}\} 无关性(练习 1 刚验过)。

🔧 30 秒回顾 · 本课要用的旧手艺(熟练可跳过)

① 解一元二次方程:先试十字相乘,不行上求根公式。微例:r2−3r+2=(r−1)(r−2)=0r^2 - 3r + 2 = (r-1)(r-2) = 0,根 r=1,2r = 1, 2——例题 1 原式。⚠️ 翻车点:求根公式里 −b-b 的负号丢失;b2−4acb^2 - 4ac 算成 b2+4acb^2 + 4ac。

② 复数最小包:i2=−1i^2 = -1;−16=4i\sqrt{-16} = 4i;复根总是成对出现 α±βi\alpha \pm \beta i。微例:r2+2r+5=0r^2 + 2r + 5 = 0 的根 r=−2±−162=−1±2ir = \dfrac{-2 \pm \sqrt{-16}}{2} = -1 \pm 2i——例题 3 原式。⚠️ 翻车点:β\beta 是虚部系数(不带 ii),从 −1±2i-1 \pm 2i 里读出 α=−1,β=2\alpha = -1, \beta = 2。

③ 链式指数求导:(erx)′=rerx(e^{rx})' = re^{rx},(erx)′′=r2erx(e^{rx})'' = r^2 e^{rx}——整课的发动机。微例:(e2x)′′=4e2x(e^{2x})'' = 4e^{2x}。⚠️ 翻车点:二阶导只乘了一次 rr。

指数猜想:一次赌博,赢下整类方程

目标方程(a,b,ca, b, c 为常数,a≠0a \neq 0):

a y′′+b y′+c y=0a\,y'' + b\,y' + c\,y = 0

读一遍方程在要求什么:y′′y''、y′y'、yy 乘上系数后相加要恰好抵消。什么函数求导后还是"自己的倍数"、有资格参与这种抵消?——指数函数。于是下注猜 y=erxy = e^{rx}(rr 待定),代入(🔧 工具箱 ③):

ar2erx+brerx+c erx=erx(ar2+br+c)=0a r^2 e^{rx} + b r e^{rx} + c\,e^{rx} = e^{rx}\left(a r^2 + b r + c\right) = 0

erxe^{rx} 永不为零,可以整个除掉。于是 y=erxy = e^{rx} 是解   ⟺  \iff rr 满足:

ar2+br+c=0——特征方程(characteristic equation)\boxed{a r^2 + b r + c = 0} \qquad \text{——特征方程(characteristic equation)}

一步降维打击:解微分方程变成了解一元二次方程。书写口诀也简单:y′′→r2y'' \to r^2、y′→ry' \to r、y→1y \to 1。剩下的事全看判别式 Δ=b2−4ac\Delta = b^2 - 4ac 的脸色——三种情况,三个世界。

情况一:Δ > 0,两个不同实根

特征方程给出 r1≠r2r_1 \neq r_2,直接量产两个解 er1xe^{r_1 x} 和 er2xe^{r_2 x}。它们不成倍数(比值 e(r1−r2)xe^{(r_1 - r_2)x} 不是常数),线性无关——基本解组到手,通解:

y=c1er1x+c2er2xy = c_1 e^{r_1 x} + c_2 e^{r_2 x}

例题 1 · 情况一全流程

求 y′′−3y′+2y=0y'' - 3y' + 2y = 0 的通解。

解法展开

特征方程 r2−3r+2=0r^2 - 3r + 2 = 0,十字相乘(🔧 工具箱 ①):(r−1)(r−2)=0(r - 1)(r - 2) = 0,r1=1,r2=2r_1 = 1, r_2 = 2。通解:

y=c1ex+c2e2xy = c_1 e^{x} + c_2 e^{2x}

上一课例题 2 从天而降的那对 {ex,e2x}\{e^x, e^{2x}\},出生地就在这里。整个过程没有一步积分——这就是常系数方程的福利。

情况二:Δ = 0,重根救场

Δ=0\Delta = 0 时只有一个根 r=−b2ar = -\dfrac{b}{2a},指数猜想只交付一个解 erxe^{rx}——但任务书要两个。第二个从哪来?

答案:y2=x erxy_2 = x\,e^{rx}。多乘的这个 xx 看起来像变魔术,验证一下它确实是解(这正是上一课练习 1 验过无关性的那对搭档):

🔍 选看 · 验证 xerxxe^{rx} 是解(以 y′′+4y′+4y=0y'' + 4y' + 4y = 0,r=−2r = -2 为例)

设 y=xe−2xy = xe^{-2x}。求导:y′=(1−2x)e−2xy' = (1 - 2x)e^{-2x},y′′=(−4+4x)e−2xy'' = (-4 + 4x)e^{-2x}。代入:

(−4+4x)e−2x+4(1−2x)e−2x+4xe−2x=[(−4+4)+(4−8+4)x]e−2x=0(-4 + 4x)e^{-2x} + 4(1 - 2x)e^{-2x} + 4xe^{-2x} = \left[(-4 + 4) + (4 - 8 + 4)x\right]e^{-2x} = 0

恒为零,验证通过 ✅。xx 从哪想到的?系统方法叫降阶法(reduction of order):设 y2=v(x)erxy_2 = v(x)e^{rx} 代入方程反解 vv,会解出 v=xv = x。本课记住结论即可,好奇的话课后可查——关键词 reduction of order。

于是重根情况的通解:

y=(c1+c2x) erxy = (c_1 + c_2 x)\,e^{rx}

例题 2 · 情况二全流程

求 y′′+4y′+4y=0y'' + 4y' + 4y = 0 的通解。

解法展开

特征方程 r2+4r+4=(r+2)2=0r^2 + 4r + 4 = (r + 2)^2 = 0,重根 r=−2r = -2。通解:

y=(c1+c2x) e−2xy = (c_1 + c_2 x)\,e^{-2x}

⚠️ 头号事故:写成 c1e−2x+c2e−2xc_1 e^{-2x} + c_2 e^{-2x}——两项焊死成一项(上一课练习 2 的"影子解"翻车现场),必须靠 xx 把第二项撑开。

情况三:Δ < 0,复根与欧拉公式

Δ<0\Delta < 0 时求根公式照跑不误,只是根钻进了复数域:r=α±βir = \alpha \pm \beta i,其中 α=−b2a\alpha = -\dfrac{b}{2a},β=4ac−b22a>0\beta = \dfrac{\sqrt{4ac - b^2}}{2a} > 0。

形式上解是 e(α+βi)xe^{(\alpha + \beta i)x}——可 ee 的"虚数次方"是什么意思?桥梁是数学里最著名的公式之一,欧拉公式:

eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta

(本课把它当作身份证收下不证;一个快速的可信度检查:对右边求导得 −sin⁡θ+icos⁡θ=i(cos⁡θ+isin⁡θ)-\sin\theta + i\cos\theta = i(\cos\theta + i\sin\theta),恰好符合"ekte^{kt} 求导乘 kk"的规矩,k=ik = i。)借它拆开:

e(α+βi)x=eαx⋅eiβx=eαx(cos⁡βx+isin⁡βx)e^{(\alpha + \beta i)x} = e^{\alpha x} \cdot e^{i\beta x} = e^{\alpha x}\left(\cos\beta x + i\sin\beta x\right)

我们要的是实函数解。好在实部和虚部各自都是解(把复数解代入实系数方程,实部虚部必须分别为零——叠加原理的复数版),拆出一对实的基本解组 {eαxcos⁡βx, eαxsin⁡βx}\{e^{\alpha x}\cos\beta x,\ e^{\alpha x}\sin\beta x\},通解:

y=eαx(c1cos⁡βx+c2sin⁡βx)y = e^{\alpha x}\left(c_1 \cos\beta x + c_2 \sin\beta x\right)

读一遍这个式子的体格:eαxe^{\alpha x} 是幅度外壳(α<0\alpha < 0 衰减、α>0\alpha > 0 增长、α=0\alpha = 0 恒定),cos⁡βx,sin⁡βx\cos\beta x, \sin\beta x 是振荡内芯,β\beta 越大晃得越快。复根 = 振荡,这句话是第 5 课弹簧世界的通行证。

例题 3 · 情况三全流程

求 y′′+2y′+5y=0y'' + 2y' + 5y = 0 的通解。

解法展开

特征方程 r2+2r+5=0r^2 + 2r + 5 = 0,Δ=4−20=−16<0\Delta = 4 - 20 = -16 < 0(🔧 工具箱 ②):

r=−2±−162=−1±2i⇒α=−1, β=2r = \frac{-2 \pm \sqrt{-16}}{2} = -1 \pm 2i \quad\Rightarrow\quad \alpha = -1,\ \beta = 2

通解:

y=e−x(c1cos⁡2x+c2sin⁡2x)y = e^{-x}\left(c_1 \cos 2x + c_2 \sin 2x\right)

画面:以 e−xe^{-x} 为衰减外壳、每 π\pi 时间晃一圈的减幅振荡——第 5 课它有个物理名字:欠阻尼。

例题 4 · 情况三 + 初值(全单元最典型的综合题型)

解初值问题:y′′+2y′+5y=0y'' + 2y' + 5y = 0,y(0)=1y(0) = 1,y′(0)=3y'(0) = 3。

第 1 步 · 通解与第一个常数

通解取例题 3:y=e−x(Acos⁡2x+Bsin⁡2x)y = e^{-x}(A\cos 2x + B\sin 2x)。代 y(0)=1y(0) = 1:e0(A+0)=A=1e^0(A + 0) = A = 1。

第 2 步 · 求导定第二个常数

乘积法则求导后按 cos⁡/sin⁡\cos/\sin 归堆:

y′=e−x[(−A+2B)cos⁡2x+(−B−2A)sin⁡2x]y' = e^{-x}\left[(-A + 2B)\cos 2x + (-B - 2A)\sin 2x\right]

代 y′(0)=3y'(0) = 3:−A+2B=3-A + 2B = 3,由 A=1A = 1 得 B=2B = 2。特解:

y=e−x(cos⁡2x+2sin⁡2x)y = e^{-x}\left(\cos 2x + 2\sin 2x\right)

⚠️ 常见事故:求导时只处理三角部分、忘了外壳 e−xe^{-x} 也要参与乘积法则——y′(0)y'(0) 里的 −A-A 项就此丢失。

三分天下 · 一页总表

判别式特征根基本解组通解画面
Δ>0\Delta > 0两个实根 r1≠r2r_1 \neq r_2er1x, er2xe^{r_1 x},\ e^{r_2 x}c1er1x+c2er2xc_1 e^{r_1 x} + c_2 e^{r_2 x}纯指数进/退场
Δ=0\Delta = 0重根 rrerx, xerxe^{rx},\ x e^{rx}(c1+c2x)erx(c_1 + c_2 x)e^{rx}指数 + 线性扶正
Δ<0\Delta < 0复根 α±βi\alpha \pm \beta ieαxcos⁡βx, eαxsin⁡βxe^{\alpha x}\cos\beta x,\ e^{\alpha x}\sin\beta xeαx(c1cos⁡βx+c2sin⁡βx)e^{\alpha x}(c_1\cos\beta x + c_2\sin\beta x)指数外壳 × 振荡内芯

✍️ 练习

练习 1 · 三种情况各来一发

求通解:(a) y′′−y′−6y=0y'' - y' - 6y = 0 (b) y′′−6y′+9y=0y'' - 6y' + 9y = 0 (c) y′′+9y=0y'' + 9y = 0

✅ 参考答案

(a) r2−r−6=(r−3)(r+2)=0r^2 - r - 6 = (r - 3)(r + 2) = 0,r=3,−2r = 3, -2:y=c1e3x+c2e−2xy = c_1 e^{3x} + c_2 e^{-2x}。

(b) r2−6r+9=(r−3)2=0r^2 - 6r + 9 = (r - 3)^2 = 0,重根 r=3r = 3:y=(c1+c2x)e3xy = (c_1 + c_2 x)e^{3x}。

(c) r2+9=0r^2 + 9 = 0,r=±3ir = \pm 3i(α=0,β=3\alpha = 0, \beta = 3):y=c1cos⁡3x+c2sin⁡3xy = c_1 \cos 3x + c_2 \sin 3x——外壳 e0⋅x=1e^{0 \cdot x} = 1,纯振荡不衰减。第 5 课的无阻尼弹簧就长这样。

练习 2 · 综合初值题

解初值问题:y′′+4y′+5y=0y'' + 4y' + 5y = 0,y(0)=1y(0) = 1,y′(0)=0y'(0) = 0。

✅ 参考答案

r2+4r+5=0r^2 + 4r + 5 = 0,Δ=16−20=−4\Delta = 16 - 20 = -4,r=−2±ir = -2 \pm i。通解 y=e−2x(Acos⁡x+Bsin⁡x)y = e^{-2x}(A\cos x + B\sin x)。

y(0)=A=1y(0) = A = 1。求导归堆:y′=e−2x[(−2A+B)cos⁡x+(−2B−A)sin⁡x]y' = e^{-2x}[(-2A + B)\cos x + (-2B - A)\sin x],y′(0)=−2A+B=0⇒B=2y'(0) = -2A + B = 0 \Rightarrow B = 2。

y=e−2x(cos⁡x+2sin⁡x)y = e^{-2x}\left(\cos x + 2\sin x\right)

练习 3 · 反向工程

写出一个二阶常系数齐次方程,使其通解为 y=(c1+c2x)e5xy = (c_1 + c_2 x)e^{5x}。

✅ 参考答案

通解形状指认重根 r=5r = 5,特征方程 (r−5)2=r2−10r+25=0(r - 5)^2 = r^2 - 10r + 25 = 0,对应方程:

y′′−10y′+25y=0y'' - 10y' + 25y = 0

正向是"方程 → 根 → 解",反向就把流水线倒着开——考试里两个方向都常考。

📝 随堂测验

随堂测验0 / 6 题正确

1. 指数猜想 $y = e^{rx}$ 之所以能把微分方程降成代数方程,关键性质是?

2. $y'' - 6y' + 9y = 0$ 的通解是?

3. 特征根为 $r = -1 \pm 2i$ 时,通解中的 $\alpha$ 和 $\beta$ 分别是?

4. 欧拉公式 $e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta$ 在本课扮演的角色是?

5. 解的长期行为:$y = e^{\alpha x}(c_1\cos\beta x + c_2\sin\beta x)$ 中,什么决定振荡是衰减、恒定还是放大?

6. 例题 4 类初值题中最高发的计算事故是?

本课小结

  • 常系数齐次方程 ay′′+by′+cy=0ay'' + by' + cy = 0:猜 y=erxy = e^{rx},得特征方程 ar2+br+c=0ar^2 + br + c = 0(口诀 y′′→r2,y′→r,y→1y'' \to r^2, y' \to r, y \to 1)
  • Δ > 0:y=c1er1x+c2er2xy = c_1 e^{r_1 x} + c_2 e^{r_2 x};Δ = 0:y=(c1+c2x)erxy = (c_1 + c_2 x)e^{rx},xx 负责撑开第二个解;Δ < 0:y=eαx(c1cos⁡βx+c2sin⁡βx)y = e^{\alpha x}(c_1\cos\beta x + c_2\sin\beta x)
  • 欧拉公式 eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta 是复根世界的翻译官;复根 = 振荡,α\alpha 管幅度、β\beta 管快慢
  • 初值题节奏:通解 → 代 y(0)y(0) → 乘积法则求导归堆 → 代 y′(0)y'(0);头号事故是求导漏外壳
  • 三种情况 = 第 5、6 课弹簧的三种命运(欠阻尼 / 临界阻尼 / 过阻尼)——名字先剧透,物理下下课见

下一课处理右端不为零的世界:非齐次方程。你会看到齐次通解一秒变身"骨架",外加一个特解就大功告成——以及一张好用的"猜特解"作弊表。

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讨论

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