1.求微分方程的解析解,并画出它们的图形-|||-(1) y(4)=y,y(0)=y`(0)=2,

如题所述

【题目】

注:原题的初始条件不完整。

【求解答案】

函数图形

【求解思路】

1、该微分方程属于高阶,可以按二阶齐次线性微分方程求解方法来求。

2、该微分方程的特征方程为 r⁴-1 = 0,求解该方程得到其解,r1=1,r2=-1,r3=i,r4=-i

3、根据二阶齐次线性微分方程的通解形式,可得到该微分方程的通解

4、把初值条件代入微分方程后,比较系数,得到四元一次方程组,并求之,得到C1,C2,C3,C4,最后得到微分方程的解析解

5、根据微分方程的解析解,即可画出它们的图形。

【求解过程】

【本题知识点】

1、二阶微分方程。对于一元函数来说,如果在该方程中出现因变量的二阶导数,我们就称为二阶(常)微分方程,其一般形式为F(x,y,y',y'')=0。在有些情况下,可以通过适当的变量代换,把二阶微分方程化成一阶微分方程来求解。

二阶微分方程的一般形式是

其中,x是自变量,y是未知函数,y'是y的一阶导数,y''是y的二阶导数。

2、线性微分方程。

一般形如, y"+py’+qy=f(x) (1), 其中,p、q∈IR,f(x)是x的函数)的方程称为二阶常系数线性微分方程。

当f(x)=0时,方程 y"+py’+qy=0 (2)称为二阶常系数线性齐次微分方程;否则,方程(1)称为二阶常系数线性非齐次微分方程。

1)二阶常系数线性齐次微分方程的解

定理1(线性齐次微分方程通解的结构定理)如果函数y1(x)与y2(x)是(2)的两个线性无关的解,则函数

是齐次方程(2)的通解。(其中,C1、C2为两个独立的任意常数)

微分方程y"+py’+qy=0 的通解与其特征根的关系见下表1

表1

2)二阶常系数线性非齐次微分方程的解

定理2(线性非齐次微分方程通解的结构定理)如果y0是非齐次微分方程(1)的一个特解,而y*是对应的齐次微分方程(2)的通解,则y=y0+y*是方程(1)的通解。

对于比较简单的情形,可以用观察法找特解。但对于比较复杂的情形就不太容易了。为此,下面对于f(x)的几种常见形式,以表2列出找其特解的方法(待定系数法)。

表2

3)如果f(x)是常数,那么方程便称为常系数线性微分方程。

3、待定系数法。待定系数法,一种求未知数的方法。将一个多项式表示成另一种含有待定系数的新的形式,这样就得到一个恒等式。然后根据恒等式的性质得出系数应满足的方程或方程组,其后通过解方程或方程组便可求出待定的系数,或找出某些系数所满足的关系式,这种解决问题的方法叫做待定系数法。

使用待定系数法解题的一般步骤是:

(1)确定所求问题含待定系数的一般解析式;

(2)根据恒等条件,列出一组含待定系数的方程;

(3)解方程或消去待定系数,从而使问题得到解决。

例如:“已知x²-5=(2-A)x²+Bx+C,求A,B,C的值.”解答此题,并不困难.只需将右式与左式的多项式中的对应项的系数加以比较后,就可得到A,B,C的值.这里的A,B,C是有待于确定的系数,这种解决问题的方法就是待定系数法。

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第1个回答  2023-06-09

方法如下,请作参考:

若有帮助,
请采纳。

第2个回答  2023-05-22

要求微分方程的解析解,通常需要使用各种数学工具和技术,如导数、偏导数、微分方程的解法等。对于给定的微分方程 (1),我们可以使用下面的步骤求解其解析解:

    求导数

    首先,我们可以求出方程 (1) 中的 �′(�)y′(x) 和 �′′(�)y′′(x),方法是对 �(�)y(x) 求导数,得到:

    �′(�)=����=23�3y′(x)=dxdy=32y3

    �′′(�)=�2���2=−23�y′′(x)=dx2d2y=−32y

    分离变量

    在求出 �′(�)y′(x) 和 �′′(�)y′′(x) 之后,我们可以使用它们来分离变量,求出方程的解析解。在本例中,我们可以将 �′(�)y′(x) 和 �′′(�)y′′(x) 分别表示为 �x 和 �2x2 的函数,得到:

    �(�)=32�3−32�y(x)=23x3−23x

    求解方程

    现在我们已经分离了变量,并且知道了方程的解析解,我们可以使用适当的数学工具和技术来求解方程,如求根法、配方法、数值计算等。对于本例中的方程,我们可以使用求根法求解 �(�)y(x) 的根,得到:

    �(�)=32�3−32�+�y(x)=23x3−23x+C

    其中 �C 是方程 (1) 中的常数项。

    画图形

    最后,我们可以使用求出的解析解来画出方程的图形,以便更好地理解和分析它们的性质和变化规律。对于本例中的方程,我们可以使用 Matplotlib 等绘图库来绘制图形,如下所示:

    Copy codeimport matplotlib.pyplot as pltx = [0, 1, 2, 3, 4, 5]y =