乐思数学通 › 考研数学(一) › 第 8 章 常微分方程

高阶线性微分方程解的结构

§8.3 · 核心概念🌱 基础篇 →

考频价值

0.66 分/卷近 11 年平均
4/11 年出现年份
1.7 分支撑的下游价值

前置诊断

① 直接前置(需先掌握)一阶微分方程(可分离、齐次、线性、伯努利)向量组的线性相关性③ 掌握后可解锁常系数齐次线性微分方程常系数非齐次线性微分方程

要点精讲

把关键道理、证明与典型例子重新过一遍。

1. 解的结构定理组:齐次叠加、非齐次通解 、两特解之差为齐次解、非齐次叠加原理★★ 必会

记二阶线性方程的左端为 ;齐次方程 ,非齐次方程 (以下结论对 阶线性方程同样成立):

① 齐次解的叠加原理:若 是 的解,则任意组合 仍是 的解;当 线性无关时, 就是齐次通解(含全部齐次解)。

② 非齐次通解的结构: 的通解 对应齐次通解 自己的任一特解:


③ 两特解之差:若 都是 的解,则 是齐次方程 的解。(这一条最常用:由几个非齐次特解作差提取出齐次解,进而反求特征根与方程。)

④ 非齐次叠加原理:若 ,则 。(用途:当右端为 时,可以拆开分别求特解,再相加。)

总起来说:齐次方程的解集是一个线性空间(其维数 阶数,见后文条目),非齐次方程的解集则是它沿 平移所得的仿射集。作差得齐次解、按右端求和叠加,这些结论全都来自 的线性性。
证明 / 推导上述四条全都出自线性性

(求导与乘以系数函数都是线性运算,逐项验证即得)。

① 。③ 。④ 。

② 一方面,,故凡形如 者都是解;另一方面,任取 的一个解 ,由 ③ 知 是齐次方程的解,而齐次通解包含全部齐次解(维数定理,见后文条目),故 ,即 必具有 的形状。两方面合起来就证明了: 恰好给出非齐次方程的全部解。
举例说明真题(2013 数一) 已知 是某二阶常系数非齐次线性方程的三个解,求其通解。

解. 先用 ③ 作差提取齐次解:

它们都是对应齐次方程的解,且线性无关,故齐次通解为 (由此顺带读出特征根为 )。再用 ②: 本身就是一个非齐次特解,故通解为

易错之处:二阶方程的通解必须恰含 个独立的任意常数,若写成 就错了。同类型的真题(1989 数一):当给出三个线性无关的特解 时,通解为 ,三个系数之和恒等于 。这就是把 化归为齐次解 再加上特解 的结果。

2. 解空间的维数为什么恰好等于阶数 n:解与初值向量之间的线性同构★ 要懂

已知 阶齐次线性方程的解构成 维线性空间,但它为什么恰是 维,不多也不少?答案在于初值问题的存在唯一性定理。

先说大意: 阶方程的一个解,一旦给定它在 处的 个初值 ,就被唯一确定;反过来,任给一组 个初值,总存在一个解与之对应。于是解与 维初值向量之间一一对应,解空间自然是 维的。这样,维数 阶数就由一句断语变成了可以证明的结论。
证明 / 推导设系数 在区间 上连续,。定义映射

其中 是 的全体解。

是线性的:求值与求导都是线性运算,故 。

是单射:若 ,即 与零解有相同的初值,则由唯一性得 ,故 。

是满射:任给 ,由存在性必有解 使 。

因此 是线性同构,。由此可见,任意 个线性无关的解都构成基础解系,而通解含且仅含 个独立的任意常数。

3. 朗斯基行列式或者恒为零,或者处处非零:刘维尔公式的推导

要判断两个解 是否线性无关,可用它们的朗斯基(Wronskian)行列式

它满足一条很好的性质,即刘维尔(Liouville)公式:只要 是同一个方程 的解(对 阶方程则把 换成次高项的系数 ),那么 本身就满足一阶线性方程

因指数因子恒正, 与 恒同号,于是 或者恒为零,或者处处非零: 线性相关, 处处非零 二者线性无关。它的实用价值在于:判定线性无关只需在任意一点算出 即可。下面就二阶情形推导这条公式。
证明 / 推导设 是 的解,。求导得

把方程 代入,得

后一个括号为 ,故

因指数因子恒正, 与 同号或同为零:若 ,则 ,此时两解线性相关;若 ,则 处处非零,此时两解线性无关。

4. 已知一个齐次解,用刘维尔公式求出第二个解(降阶法)★ 要懂

对于二阶齐次线性方程,如果已经求得一个解 (例如由观察得出),那么可以直接构造出与它线性无关的第二个解 ,而不必再解方程。这在变系数方程中十分有用,也是刘维尔公式的直接应用。

做法(常数变易,即降阶):设 ,代入方程后 满足一个不含 本身的可降阶方程,解得

弄清这个公式的来历,比单纯记忆它更为重要:分子 恰是刘维尔公式中的 ,而 的导数正比于 。
证明 / 推导设 。由朗斯基行列式的定义,。

又由刘维尔公式 (取 ),故

于是 ,且 ,从而它与 线性无关。
举例说明例. 已知 是 的一个解,求通解。

化为标准形 ,其中 ,。代入公式,得

略去常数因子,取 ,故通解为

(这与按欧拉方程直接求解所得的 完全一致。)

5. 常数变易法求非齐次特解:结构定理的构造性实现★★ 必会

结构定理指出,非齐次方程的通解 齐次通解 一个特解,但怎样求出那个特解呢?当右端 不是 多项式或正弦这类便于处理的形式时,待定系数法失效,这时常数变易法是普遍适用的方法(数一要求掌握)。

基本思想:把齐次通解 中的常数换成待定函数,设 。两个未知函数只受一个方程的约束,因此人为再加一个条件 (使 的导数形式简洁),然后代入原方程,即可求得 。
证明 / 推导设 ,其中 为 的基础解系。

加上约束 ,则 ;再求导得 。代入 ,并利用 消去有关各项,得

它与上述约束联立成线性方程组,其系数行列式恰是朗斯基行列式 ,故由克拉默法则得

积分即得 ,从而 。
举例说明例. 求 的通解(右端 不是指数与多项式之积,待定系数法无从下手)。

齐次方程的基础解系为 ,。


故 ,通解为

这类右端只能用常数变易法。它就是结构定理中只需求出一个特解这一论断的构造性实现。

6. 注意:由 W(x₀)=0 不能推出函数线性相关,经典反例 x² 与 x|x|

用朗斯基行列式作判别有一个严格的前提:被判定的函数必须是同一个齐次线性方程的解。对任意函数而言, 只是线性相关的必要条件,并不充分;确实存在处处 而线性无关的函数对。考研题若在此处设问,必须分清一般的函数与方程的解。
证明 / 推导取 ,它们都定义在 上。

朗斯基行列式恒为零:因 ,故


但二者线性无关:设 。取 得 ;取 得 。解得 ,故 在 上线性无关。

为什么这并不矛盾:由 线性相关这一推断,只对同一个二阶线性方程的解才成立;而 在 处二阶导数不存在,故 不可能同是某个系数连续的二阶线性方程的解,定理的前提并不满足。
💡 小知识
解空间的维数等于方程的阶数,这句话把微分方程和线性代数接在了一起:n 阶齐次线性方程的解集是一个 n 维向量空间,基础解系就是它的一组基,朗斯基行列式非零说的则是这组基线性无关。把线性代数的四大空间学透,微分方程解的结构也就跟着清楚了。

基础例题

从最基础开始,循序渐进;先独立尝试,再展开完整解答。

例 1 已知 与 都是方程 的解,判断它们是否线性无关,并写出通解。 难度 1先验证是解:,。计算朗斯基行列式 故 线性无关,构成二阶齐次方程的基础解系。由解的结构定理,通解为
例 2 已知 与 是某二阶非齐次线性微分方程 的两个解,求其对应齐次方程的一个非零解。 难度 2记左端算子 ,则 。由 的线性性, 即两个非齐次解之差是对应齐次方程的解。故 是齐次方程的一个非零解。
例 3 已知 是某二阶非齐次线性微分方程的三个解,求该方程的通解。 难度 2两个非齐次解之差是对应齐次方程的解: 而 与 之比 不是常数,二者线性无关,构成二阶齐次方程的基础解系,故齐次通解 。又 本身是原非齐次方程的一个特解,由「通解 齐次通解 特解」:

真题精选

近年原题,先做做看、自动判分,再对照答案、思路与完整解答。

2026 年 · 数一 · 第 18 题 · 解答题 · 12 分

设 在区间 内具有 阶连续导数,且存在可微函数 使得


(1)证明:, 为常数;

(2)设 ,求 的表达式。

2023 年 · 数一 · 第 2 题 · 选择题 · 5 分

若微分方程 的解在 上有界,则(  )
  • A.
  • B.
  • C.
  • D.

2017 年 · 数一 · 第 10 题 · 填空题 · 4 分

微分方程 的通解为 ______.

随堂练习

先用基础题热身,再按年份从新到旧挑战本知识点的其余真题。

练习 1 · 选择题

设 是二阶齐次线性微分方程的两个线性无关解,则该方程的通解为( )。
  • A
  • B
  • C
  • D

练习 2 · 选择题

设 是非齐次线性方程 的两个解,则下列一定是对应齐次方程 的解的是( )。
  • A
  • B
  • C
  • D

练习 3 · 填空题

设 是 的一个特解, 是 的一个特解( 为同一线性算子),则 的一个特解为 ____。

练习 4 · 选择题

已知 是某二阶非齐次线性方程的三个解,则其对应齐次方程的一个非零解是( )。
  • A
  • B
  • C
  • D

练习 5 · 选择题

已知 ,, 是某二阶常系数非齐次线性微分方程的三个解,则该方程是( )。
  • A
  • B
  • C
  • D

练习 6 · 填空题

已知 ,, 是某二阶非齐次线性微分方程的三个解,则该方程满足初始条件 的解为 ____。

练习 7 · 解答题

已知 与 都是二阶齐次线性微分方程

的解。
(1)验证 线性无关,并写出该齐次方程的通解;
(2)求 与 ;
(3)已知 是非齐次方程 的一个特解,求 ,并求该非齐次方程满足 的解。

2016 年 · 数一 · 第 3 题 · 选择题 · 4 分

若 , 是微分方程 的两个解,则 (  )
  • A
  • B
  • C
  • D

2013 年 · 数一 · 第 10 题 · 填空题 · 4 分

已知 ,, 是某二阶常系数非齐次线性微分方程的 个解,则该方程的通解为 ______.

2011 年 · 数一 · 第 10 题 · 填空题 · 4 分

微分方程 满足条件 的解为 ______.