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 y = Y + y ∗ 、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 L [ y ] := y ′′ + p ( x ) y ′ + q ( x ) y ;齐次方程 L [ y ] = 0 ,非齐次方程 L [ y ] = f ( x ) (以下结论对 n 阶线性方程同样成立):① 齐次解的叠加原理 :若 y 1 , y 2 是 L [ y ] = 0 的解,则任意组合 C 1 y 1 + C 2 y 2 仍是 L [ y ] = 0 的解;当 y 1 , y 2 线性无关 时,Y = C 1 y 1 + C 2 y 2 就是齐次通解 (含全部齐次解)。② 非齐次通解的结构 :L [ y ] = f 的通解 = 对应齐次通解 + 自己的任一特解:y = Y + y ∗ = C 1 y 1 + C 2 y 2 + y ∗ . ③ 两特解之差 :若 y 1 ∗ , y 2 ∗ 都是 L [ y ] = f 的解,则 y 1 ∗ − y 2 ∗ 是齐次方程 L [ y ] = 0 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 L [ y 1 ∗ ] = f 1 , L [ y 2 ∗ ] = f 2 ,则 L [ y 1 ∗ + y 2 ∗ ] = f 1 + f 2 。(用途:当右端为 f = f 1 + f 2 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 y ∗ 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 L 的线性性。
证明 / 推导 上述四条全都出自线性性L [ α u + β v ] = α L [ u ] + β L [ v ] (求导与乘以系数函数都是线性运算,逐项验证即得)。① L [ C 1 y 1 + C 2 y 2 ] = C 1 ⋅ 0 + C 2 ⋅ 0 = 0 。③ L [ y 1 ∗ − y 2 ∗ ] = f − f = 0 。④ L [ y 1 ∗ + y 2 ∗ ] = f 1 + f 2 。② 一方面,L [ Y + y ∗ ] = 0 + f = f ,故凡形如 Y + y ∗ 者都是解;另一方面,任取 L [ y ] = f 的一个解 y ,由 ③ 知 y − y ∗ 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 y − y ∗ = C 1 y 1 + C 2 y 2 ,即 y 必具有 Y + y ∗ 的形状。两方面合起来就证明了:Y + y ∗ 恰好给出 非齐次方程的全部解。■ 举例说明 真题(2013 数一) 已知 y 1 = e 3 x − x e 2 x , y 2 = e x − x e 2 x , y 3 = − x e 2 x 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:y 1 − y 3 y 2 − y 3 = e 3 x = e x 它们都是对应齐次方程的解,且线性无关,故齐次通解为 Y = C 1 e x + C 2 e 3 x (由此顺带读出特征根为 1 , 3 )。再用 ② :y 3 = − x e 2 x 本身就是一个非齐次特解,故通解为y = C 1 e x + C 2 e 3 x − x e 2 x ( C 1 , C 2 为任意常数 ) . 易错之处 :二阶方程的通解必须恰含 2 个 独立的任意常数,若写成 C 1 y 1 + C 2 y 2 + C 3 y 3 就错了。同类型的真题(1989 数一):当给出三个线性无关的特解 y 1 , y 2 , y 3 时,通解为 C 1 y 1 + C 2 y 2 + ( 1 − C 1 − C 2 ) y 3 ,三个系数之和恒等于 1 。这就是把 C 1 ( y 1 − y 3 ) + C 2 ( y 2 − y 3 ) 化归为齐次解 + 再加上特解 y 3 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 n 阶齐次线性方程的解构成 n 维线性空间,但它为什么恰是 n 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:n 阶方程的一个解,一旦给定它在 x 0 处的 n 个初值 y ( x 0 ) , y ′ ( x 0 ) , … , y ( n − 1 ) ( x 0 ) ,就被唯一确定 ;反过来,任给一组 n 个初值,总存在 一个解与之对应。于是解与 n 维初值向量之间一一对应,解空间自然是 n 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 a i ( x ) 在区间 I 上连续,x 0 ∈ I 。定义映射Φ : V → R n , Φ ( y ) = ( y ( x 0 ) , y ′ ( x 0 ) , … , y ( n − 1 ) ( x 0 ) ) , 其中 V 是 L [ y ] = 0 的全体解。Φ 是线性的 :求值与求导都是线性运算,故 Φ ( c 1 y 1 + c 2 y 2 ) = c 1 Φ ( y 1 ) + c 2 Φ ( y 2 ) 。Φ 是单射 :若 Φ ( y ) = 0 ,即 y 与零解有相同的初值,则由唯一性 得 y ≡ 0 ,故 ker Φ = { 0 } 。Φ 是满射 :任给 c ∈ R n ,由存在性 必有解 y 使 Φ ( y ) = c 。 因此 Φ 是线性同构,dim V = dim R n = n 。由此可见,任意 n 个线性无关的解都构成基础解系 ,而通解含且仅含 n 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
y 1 , y 2 是否
线性无关 ,可用它们的
朗斯基(Wronskian)行列式 W ( x ) = y 1 y 1 ′ y 2 y 2 ′ = y 1 y 2 ′ − y 2 y 1 ′ . 它满足一条很好的性质,即
刘维尔(Liouville)公式 :只要
y 1 , y 2 是同一个方程
y ′′ + a 1 ( x ) y ′ + a 0 ( x ) y = 0 的解(对
n 阶方程则把
a 1 换成次高项的系数
a n − 1 ),那么
W 本身就满足一阶线性方程
W ′ = − a 1 ( x ) W ⟹ W ( x ) = W ( x 0 ) e − ∫ x 0 x a 1 ( t ) d t . 因指数因子恒正,
W ( x ) 与
W ( x 0 ) 恒同号,于是
W 或者恒为零,或者处处非零 :
W ≡ 0 ⇔ y 1 , y 2 线性相关,
W 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 W ( x 0 ) 即可。下面就二阶情形推导这条公式。
证明 / 推导 设 y 1 , y 2 是 y ′′ + a 1 ( x ) y ′ + a 0 ( x ) y = 0 的解,W = y 1 y 2 ′ − y 2 y 1 ′ 。求导得W ′ = y 1 ′ y 2 ′ + y 1 y 2 ′′ − y 2 ′ y 1 ′ − y 2 y 1 ′′ = y 1 y 2 ′′ − y 2 y 1 ′′ . 把方程 y i ′′ = − a 1 y i ′ − a 0 y i 代入,得W ′ = y 1 ( − a 1 y 2 ′ − a 0 y 2 ) − y 2 ( − a 1 y 1 ′ − a 0 y 1 ) = − a 1 ( y 1 y 2 ′ − y 2 y 1 ′ ) − a 0 ( y 1 y 2 − y 2 y 1 ) . 后一个括号为 0 ,故 W ′ = − a 1 ( x ) W ⟹ W ( x ) = W ( x 0 ) e − ∫ x 0 x a 1 ( t ) d t . 因指数因子恒正,W ( x ) 与 W ( x 0 ) 同号或同为零 :若 W ( x 0 ) = 0 ,则 W ≡ 0 ,此时两解线性相关;若 W ( x 0 ) = 0 ,则 W 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 y 1 (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 y 2 ,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 y 2 = v ( x ) y 1 ,代入方程后 v 满足一个不含 v 本身 的可降阶方程,解得y 2 = y 1 ∫ y 1 2 1 e − ∫ a 1 d x d x . 弄清这个公式的来历,比单纯记忆它更为重要:分子 e − ∫ a 1 d x 恰是刘维尔公式中的 W ,而 y 2 / y 1 的导数正比于 W / y 1 2 。
证明 / 推导 设 y 2 = v y 1 。由朗斯基行列式的定义,W = y 1 y 2 ′ − y 2 y 1 ′ = y 1 ( v y 1 ) ′ − v y 1 ⋅ y 1 ′ = y 1 ( v ′ y 1 + v y 1 ′ ) − v y 1 y 1 ′ = v ′ y 1 2 。 又由刘维尔公式 W = e − ∫ a 1 d x (取 W ( x 0 ) = 1 ),故 v ′ y 1 2 = e − ∫ a 1 d x ⟹ v ′ = y 1 2 e − ∫ a 1 d x ⟹ v = ∫ y 1 2 e − ∫ a 1 d x d x . 于是 y 2 = y 1 ∫ y 1 2 e − ∫ a 1 d x d x ,且 W = v ′ y 1 2 = 0 ,从而它与 y 1 线性无关。■ 举例说明 例. 已知 y 1 = x 是 x 2 y ′′ + x y ′ − y = 0 ( x > 0 ) 的一个解,求通解。 化为标准形 y ′′ + x 1 y ′ − x 2 1 y = 0 ,其中 a 1 = x 1 ,e − ∫ a 1 d x = e − l n x = x 1 。代入公式,得y 2 = x ∫ x 2 1/ x d x = x ∫ x − 3 d x = x ⋅ ( − 2 x 2 1 ) = − 2 x 1 . 略去常数因子,取 y 2 = x 1 ,故通解为y = C 1 x + x C 2 . (这与按欧拉方程直接求解所得的 m 2 − 1 = 0 , m = ± 1 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 f ( x ) 不是 e λ x × 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 C 1 y 1 + C 2 y 2 中的常数换成待定函数,设 y ∗ = u 1 ( x ) y 1 + u 2 ( x ) y 2 。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 u 1 ′ y 1 + u 2 ′ y 2 = 0 (使 y ∗ 的导数形式简洁),然后代入原方程,即可求得 u 1 ′ , u 2 ′ 。
证明 / 推导 设 y ∗ = u 1 y 1 + u 2 y 2 ,其中 y 1 , y 2 为 y ′′ + a 1 y ′ + a 0 y = 0 的基础解系。 加上约束 u 1 ′ y 1 + u 2 ′ y 2 = 0 ,则 y ∗ ′ = u 1 y 1 ′ + u 2 y 2 ′ ;再求导得 y ∗ ′′ = u 1 ′ y 1 ′ + u 2 ′ y 2 ′ + u 1 y 1 ′′ + u 2 y 2 ′′ 。代入 y ∗ ′′ + a 1 y ∗ ′ + a 0 y ∗ = f ,并利用 y i ′′ + a 1 y i ′ + a 0 y i = 0 消去有关各项,得u 1 ′ y 1 ′ + u 2 ′ y 2 ′ = f . 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 W = 0 ,故由克拉默法则得u 1 ′ u 2 ′ = − W y 2 f = W y 1 f 积分即得 u 1 , u 2 ,从而 y ∗ = u 1 y 1 + u 2 y 2 。■ 举例说明 例. 求 y ′′ + y = sec x 的通解(右端 sec x 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 y 1 = cos x , y 2 = sin x ,W = cos x cos x − sin x ( − sin x ) = 1 。 u 1 ′ = − 1 sin x sec x = − tan x ⇒ u 1 = ln ∣ cos x ∣ , u 2 ′ = 1 cos x sec x = 1 ⇒ u 2 = x . 故 y ∗ = cos x ln ∣ cos x ∣ + x sin x ,通解为y = C 1 cos x + C 2 sin x + cos x ln ∣ cos x ∣ + x sin x . 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,W ≡ 0 只是线性相关的必要 条件,并不充分 ;确实存在处处 W = 0 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 f 1 ( x ) = x 2 , f 2 ( x ) = x ∣ x ∣ ,它们都定义在 ( − ∞ , + ∞ ) 上。朗斯基行列式恒为零 :因 f 2 ′ = 2∣ x ∣ ,故W = x 2 2 x x ∣ x ∣ 2∣ x ∣ = x 2 ⋅ 2∣ x ∣ − x ∣ x ∣ ⋅ 2 x = 2 x 2 ∣ x ∣ − 2 x 2 ∣ x ∣ = 0 ( ∀ x ) . 但二者线性无关 :设 c 1 x 2 + c 2 x ∣ x ∣ ≡ 0 。取 x = 1 得 c 1 + c 2 = 0 ;取 x = − 1 得 c 1 − c 2 = 0 。解得 c 1 = c 2 = 0 ,故 f 1 , f 2 在 ( − ∞ , ∞ ) 上线性无关。为什么这并不矛盾 :由 W ≡ 0 ⇒ 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 x ∣ x ∣ 在 x = 0 处二阶导数不存在,故 f 1 , f 2 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。■ 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 f ( u ) 在区间 ( 0 , + ∞ ) 内具有 3 阶连续导数,且存在可微函数 F ( x , y ) 使得d F ( x , y ) = x 2 y f ( x y ) d x + x y 2 f ′′ ( x y ) d y ( x y > 0 ) . (1)证明:u f ′′ ( u ) − u f ( u ) = C ,C 为常数; (2)设 f ( 1 ) = 1 , f ′ ( 1 ) = − 1 , f ′′ ( 1 ) = 0 ,求 f ( u ) 的表达式。
2023 年 · 数一 · 第 2 题 · 选择题 · 5 分
若微分方程 y ′′ + a y ′ + b y = 0 的解在 ( − ∞ , + ∞ ) 上有界,则( )
A a < 0 , b > 0 .B a > 0 , b > 0 .C a = 0 , b > 0 .D a = 0 , b < 0 .2017 年 · 数一 · 第 10 题 · 填空题 · 4 分
微分方程 y ′′ + 2 y ′ + 3 y = 0 的通解为 y = ______.
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 y 1 , y 2 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 C 1 y 1 + C 2 y 2 B y 1 + y 2 C C ( y 1 + y 2 ) D C 1 y 1 y 2 练习 2 · 选择题
设 y 1 , y 2 是非齐次线性方程 L [ y ] = f ( f ≡ 0 ) 的两个解,则下列一定是对应齐次方程 L [ y ] = 0 的解的是( )。
A y 1 + y 2 B y 1 − y 2 C 2 y 1 D 2 y 1 + y 2 练习 3 · 填空题
设 y 1 = x 2 是 L [ y ] = f 1 的一个特解,y 2 = x 是 L [ y ] = f 2 的一个特解(L 为同一线性算子),则 L [ y ] = f 1 + f 2 的一个特解为 ____。
练习 4 · 选择题
已知 y 1 = x , y 2 = x + e x , y 3 = x + 2 e x 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( )。
练习 5 · 选择题
已知 y 1 = x e x ,y 2 = x e x + e − x ,y 3 = x e x + 2 e − x + e 2 x 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 y ′′ − y ′ − 2 y = ( 1 + 2 x ) e x B y ′′ + y ′ − 2 y = ( 1 − 2 x ) e x C y ′′ − y ′ − 2 y = x e x D y ′′ − y ′ − 2 y = ( 1 − 2 x ) e x 练习 6 · 填空题
已知 y 1 = e 2 x ,y 2 = e 2 x + x ,y 3 = e 2 x + x + e − x 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 y ( 0 ) = 2 , y ′ ( 0 ) = 0 的解为 ____。
练习 7 · 解答题
已知 y 1 ( x ) = x 与 y 2 ( x ) = x ln x 都是二阶齐次线性微分方程y ′′ + p ( x ) y ′ + q ( x ) y = 0 ( x > 0 ) 的解。 (1)验证 y 1 , y 2 线性无关,并写出该齐次方程的通解; (2)求 p ( x ) 与 q ( x ) ; (3)已知 y ∗ = x 2 是非齐次方程 y ′′ + p ( x ) y ′ + q ( x ) y = f ( x ) 的一个特解,求 f ( x ) ,并求该非齐次方程满足 y ( 1 ) = 0 , y ′ ( 1 ) = 1 的解。
2016 年 · 数一 · 第 3 题 · 选择题 · 4 分
若
y = ( 1 + x 2 ) 2 − 1 + x 2 ,
y = ( 1 + x 2 ) 2 + 1 + x 2 是微分方程
y ′ + p ( x ) y = q ( x ) 的两个解,则
q ( x ) = ( )
A 3 x ( 1 + x 2 ) . B − 3 x ( 1 + x 2 ) . C 1 + x 2 x . D − 1 + x 2 x . 2013 年 · 数一 · 第 10 题 · 填空题 · 4 分
已知 y 1 = e 3 x − x e 2 x ,y 2 = e x − x e 2 x ,y 3 = − x e 2 x 是某二阶常系数非齐次线性微分方程的 3 个解,则该方程的通解为 y = ______.
2011 年 · 数一 · 第 10 题 · 填空题 · 4 分
微分方程 y ′ + y = e − x cos x 满足条件 y ( 0 ) = 0 的解为 y = ______.