题目
微分方程 y'' - 2y' - 3y = (2x + 1)e^-x 的特解形式是( )。A. y = (Ax + B)e^-xB. y = x^2 e^-xC. y = x^2 (Ax + B)e^-xD. y = x (Ax + B)e^-x
微分方程 $y'' - 2y' - 3y = (2x + 1)e^{-x}$ 的特解形式是( )。
A. $y = (Ax + B)e^{-x}$
B. $y = x^2 e^{-x}$
C. $y = x^2 (Ax + B)e^{-x}$
D. $y = x (Ax + B)e^{-x}$
题目解答
答案
D. $y = x (Ax + B)e^{-x}$
解析
考查要点:本题主要考查二阶非齐次线性微分方程特解形式的确定方法,特别是当非齐次项与齐次解重复时的处理方式。
解题核心思路:
- 求解齐次方程的特征根,确定齐次解的形式;
- 分析非齐次项的结构,判断是否需要调整特解形式;
- 根据重复情况调整特解,若非齐次项中的指数项与齐次解重复,则需乘以$x$的幂次。
破题关键点:
- 特征根的判断:通过特征方程确定齐次解中的指数项;
- 重复项的处理:当非齐次项中的指数项与齐次解中的项相同,需提高幂次(乘以$x^k$,$k$为特征根重数)。
第一步:求齐次方程的通解
齐次方程为:
$y'' - 2y' - 3y = 0$
特征方程:
$r^2 - 2r - 3 = 0$
解得特征根:
$r = 3, \, -1$
因此,齐次通解为:
$y_h = C_1 e^{3x} + C_2 e^{-x}$
第二步:分析非齐次项
非齐次项为:
$(2x + 1)e^{-x}$
其中,$e^{-x}$是齐次解的一部分(对应特征根$r = -1$,为单根),因此特解形式需乘以$x^1$。
第三步:确定特解形式
原非齐次项为一次多项式乘以$e^{-x}$,调整后特解形式为:
$y_p = x \cdot (Ax + B)e^{-x}$
即:
$y_p = x(Ax + B)e^{-x}$
第四步:匹配选项
选项中符合此形式的是D。