关卡说明
S6 走到这里,从"齐次"术语撞车到晃塌大桥的共振,七课的手艺该过安检了。本关三部分:手艺总表(60 秒自检)、三道综合大题(每道横跨多课,先动笔再开折叠)、十连测验。建议闭卷做题,卡住了先回总表定位是哪一课的手艺生锈,再回去补。预计 45 分钟。
一、手艺总表 · 60 秒自检
| 课 | 手艺 | 一句话口令 |
|---|
| 1. 初见与术语 | 分类:阶数/线性/齐次 | 齐次线性看右端为零;S5 的"齐次型"是撞名路人 |
| 2. 叠加原理 | 解结构:基本解组 | 找两个线性无关解就全赢;Wronskian =0 验无关 |
| 3. 特征方程 | ar2+br+c=0 三分天下 | Δ>0 两指数;Δ=0 乘 x 撑开;Δ<0 外壳×振荡 |
| 4. 非齐次 | y=yh+yp + 待定系数 | 先跑骨架再点菜;撞上骨架就乘 x |
| 5. 弹簧(上) | 无阻尼/欠阻尼 | ω0=k/m 是体质;包络线收口 |
| 6. 弹簧(下) | 过阻尼/临界阻尼 | 慢根说了算;阻尼过猛回家反而慢 |
| 7. 受迫与共振 | 暂态+稳态;ω 撞 ω0 | 乘 t 的物理名字叫共振;阻尼压峰兜底 |
任何一行的口令读不懂,先回那一课,再回来闯关。
二、综合大题
大题 1 · 从特征方程到物理判读(第 3、5 课)
解初值问题 y′′+4y′+13y=0,y(0)=2,y′(0)=2;把解写成振幅-相位形式,并指出:若这是弹簧系统,它处于哪种阻尼状态?
✅ 完整解答
特征方程:r2+4r+13=0,Δ=16−52=−36<0,r=−2±3i。通解:
y=e−2t(Acos3t+Bsin3t)初值:y(0)=A=2。求导归堆(别漏外壳):y′=e−2t[(−2A+3B)cos3t+(−3A−2B)sin3t],代 y′(0)=2:−4+3B=2⇒B=2。
y=e−2t(2cos3t+2sin3t)振幅-相位:R=4+4=22;cosφ=sinφ=21⇒φ=4π(双正,第一象限):
y=22e−2tcos(3t−4π)物理判读:复根 = 振荡 + 衰减外壳 ⟹ 欠阻尼(m=1,c=4,k=13:c2=16<52=4mk ✅)。准频率 3,包络线 ±22e−2t。
大题 2 · 非齐次全家桶(第 3、4 课)
求 y′′−4y=8x+e2x 的通解。(提示:右端要拆;其中一件会撞骨架。)
✅ 完整解答
骨架:r2−4=0,r=±2,yh=c1e2x+c2e−2x。
零件一 g1=8x:猜 Ax+B,代入 −4(Ax+B)≡8x 得 A=−2,B=0,yp1=−2x。
零件二 g2=e2x:撞骨架(e2x 是齐次解)!乘 x 改猜 Axe2x。求导:(xe2x)′=(1+2x)e2x,(xe2x)′′=(4+4x)e2x,代入:
A(4+4x)e2x−4Axe2x=4Ae2x≡e2x⇒A=41组装:
y=c1e2x+c2e−2x−2x+41xe2x评分点自查:① 先跑骨架了吗?② 拆右端了吗?③ 查撞车了吗?④ 多项式猜想带常数项 B 了吗(哪怕最后为零)?
大题 3 · 一根弹簧的四种人生(第 5、6、7 课)
弹簧系统 m=1、k=25。(a) 分别判断 c=6、c=10、c=26 时的阻尼类型,写出通解骨架;(b) 拆掉阻尼(c=0),施加外力 10cos5t,会发生什么?写出特解并说明。
✅ 完整解答
(a) 临界刻度 ccr=2mk=10。
- c=6<10:欠阻尼。r2+6r+25=0,r=−3±4i:x=e−3t(c1cos4t+c2sin4t)——减幅振荡,准频率 4。
- c=10:临界阻尼。(r+5)2=0:x=(c1+c2t)e−5t——不振荡阵营的回位冠军。
- c=26>10:过阻尼。r2+26r+25=(r+1)(r+25)=0:x=c1e−t+c2e−25t——慢根 −1 主宰归途,比临界的 −5 慢得多:阻尼过猛反而回家慢。
(b) ω0=25=5,驱动频率也是 5——纯共振。右端撞齐次解,乘 t:
xp=2mω0F0tsinω0t=2⋅510tsin5t=tsin5t振幅包络 ±t 线性张开,能量只进不出,系统终将超出线性模型的适用范围(实物层面:解体)。若保留一点阻尼(如 (a) 的任何一档),振幅将被压在有限的共振峰下——阻尼是兜底的安全网。
三、十连测验
1. 下列方程中,属于“二阶线性齐次”的是?
2. $W(e^{2x}, e^{-2x})$ 等于?
3. $y'' + 6y' + 9y = 0$ 的通解是?
4. 解初值题时对 $y = e^{\alpha t}(A\cos\beta t + B\sin\beta t)$ 求导,$y'(0)$ 的正确值是?
5. 非齐次方程通解的正确结构是?
6. 求 $y'' + 4y = \sin 2x$ 的特解,应猜的形状是?
7. 无阻尼弹簧的固有频率 $\omega_0$ 由什么决定?
8. 同一系统($m, k$ 固定)阻尼从临界值继续加大,回到平衡位置的速度会?
9. 有阻尼受迫系统运行很久之后,运动主要由什么决定?
10. 纯共振时解中出现 $t\sin\omega_0 t$ 因子,它在待定系数法里对应的操作是?
通关判定
- 十连测验 ≥ 8 对 + 三道大题基本独立完成:通关。S6 的骨干手艺(特征方程三分、yh+yp、乘 x/t 修正、四档阻尼、共振)已经上手。
- 测验 6–7 对:可以前进,但把错题对应的课号(看解析末尾的指向)回炉 30 分钟。
- 测验 ≤ 5 对或大题两道以上卡死:先别走。最高杠杆的复习顺序:第 3 课(特征方程是一切的地基)→ 第 4 课(结构 + 待定系数)→ 第 5–7 课按兴趣。
S6 至此收官。你已经拥有解读"世界为什么会振动、以及怎么让它停下或晃起来"的完整数学语言——下次坐进汽车感到过坎后车身一稳,你知道那是谁在临界阻尼附近替你值班。