题目
方程y'' - 2y' + 3y = e^x sin sqrt(2)x的特解的形式为A. e^x [A cos sqrt(2)x + B sin sqrt(2)x]B. xe^x [A cos sqrt(2)x + B sin sqrt(2)x]C. Ae^x sin sqrt(2)xD. Ae^x cos sqrt(2)x
方程$y'' - 2y' + 3y = e^x \sin \sqrt{2}x$的特解的形式为
A. $e^x [A \cos \sqrt{2}x + B \sin \sqrt{2}x]$
B. $xe^x [A \cos \sqrt{2}x + B \sin \sqrt{2}x]$
C. $Ae^x \sin \sqrt{2}x$
D. $Ae^x \cos \sqrt{2}x$
题目解答
答案
B. $xe^x [A \cos \sqrt{2}x + B \sin \sqrt{2}x]$
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:
- 求齐次方程的特征根,确定齐次解的形式;
- 分析非齐次项的形式,判断其是否与齐次解重复;
- 根据重复情况调整特解形式,若重复则需乘以$x$的幂次。
破题关键点:
- 特征方程的解:通过解特征方程确定齐次解的结构;
- 非齐次项与齐次解的关系:若非齐次项中的指数因子与齐次解中的指数因子相同,则需乘以$x$构造特解。
步骤1:求齐次方程的特征根
齐次方程为 $y'' - 2y' + 3y = 0$,对应的特征方程为:
$r^2 - 2r + 3 = 0$
解得特征根:
$r = \frac{2 \pm \sqrt{(-2)^2 - 4 \cdot 1 \cdot 3}}{2} = 1 \pm i\sqrt{2}$
因此,齐次解的形式为:
$y_h = e^x \left( C_1 \cos \sqrt{2}x + C_2 \sin \sqrt{2}x \right)$
步骤2:分析非齐次项的形式
非齐次项为 $e^x \sin \sqrt{2}x$,其形式为 $e^{\alpha x} \sin \beta x$,其中 $\alpha = 1$,$\beta = \sqrt{2}$。
关键判断:$\alpha + i\beta = 1 + i\sqrt{2}$ 是齐次方程的特征根,因此非齐次项与齐次解重复。
步骤3:构造特解形式
由于非齐次项与齐次解重复,特解需乘以 $x$,即:
$y_p = x e^x \left( A \cos \sqrt{2}x + B \sin \sqrt{2}x \right)$
对应选项 B。