二阶微分方程计算器

目录

提供一个交互式计算器,用于求解具有常系数的二阶微分方程

概述

具有常系数 \( a \)、\( b \) 和 \( c \) 的线性二阶齐次微分方程具有以下一般形式 [1][2][3]: \[ a \frac{d^2y}{dt^2} + b \frac{dy}{dt} + c y = 0 \] 要使用辅助方程(或特征方程)来求解此微分方程,首先需要找到辅助方程的根,该方程通过假设解的形式为 \( y(t) = e^{rt} \) 获得,因此 \( y'(t) = r e^{rt} \) 和 \( y''(t) = r^2 e^{rt} \)。
将 \( y(t) \)、\( y'(t)\) 和 \( y''(t) \) 代入微分方程,并因式分解如下:
\[ (a r^2 + b r + c) e^{rt} = 0 \] 由于 \( e^{rt} \) 不能为零,我们得到与微分方程相对应的辅助方程: \[ a r^2 + b r + c = 0 \]

使用辅助方程求解的步骤

1. 写下辅助方程: \[ a r^2 + b r + c = 0 \] 辅助方程的根的性质决定了解的行为:
令 \( \Delta = b^2 - 4 \; a \; c \)
1 - 如果 \( \Delta > 0 \) ,则根为
\( r_1 = \dfrac{-b+\sqrt{b^2 - 4ac}}{2\;a} \) 和 \( r_2 = \dfrac{-b-\sqrt{b^2 - 4ac}}{2\;a}\)
是真实且不同的。一般解包含指数函数,如下所示。
\[ y(t) = C_1 e^{r_1 t} + C_2 e^{r_2 t} \] 其中 \( C_1 \) 和 \( C_2 \) 是通过初始条件确定的常数。
2 - 如果 \( \Delta = 0 \) ,则根 \( r_1 \) 和 \( r_2 \) 是相等的,等于 \( -\dfrac{b}{2 \; a} \)。一般解包含乘以指数函数的线性函数 \( t \)。
\[ y(t) = ( C_1 + C_2 \; t ) e^{r_1 t} \] 其中 \( C_1 \) 和 \( C_2 \) 是通过初始条件或边界条件确定的常数。
3 - 如果 \( \Delta \lt 0 \) ,则根 \( r_1 \) 和 \( r_2 \) 是形如
\( r_1 = \dfrac{- b + i \sqrt{4 a c - b^2}}{2 \;a} \) 和 \( r_2 = \dfrac{- b - i \sqrt{4 a c - b^2}}{2 \;a }\) 的共轭复数。
微分方程的一般解包含正弦和余弦函数,如下所示: \[ y(t) = e^{\alpha \; t} \left( C_1 \cos(\beta t) + C_2 \sin(\beta \; t) \right) \] 其中
\( \alpha = \dfrac{- b }{2 \;a} \) 和 \( \beta = \dfrac{ \sqrt{4 a c - b^2} }{2 \;a} \)
\( C_1 \) 和 \( C_2 \) 是通过初始条件或边界条件确定的常数。

使用计算器:输入系数和初始条件

输入系数 \( a, b , c \) 以及初始条件 \( y(0) \) 和 \( y'(0) \) 为实数,然后按“求解”按钮。






更多参考资料和链接

1 - 《大学微积分 - 早期超越》,作者:Joel Hass, Maurice D. Weir, George B. Thomas, Jr., Christopher Heil,ISBN-13:978-0134995540
2 - 《微积分》,作者:Gilbert Strang - MIT,ISBN-13:978-0961408824
3 - 《微积分 - 早期超越》,作者:James Stewart,ISBN-13:978-0-495-01166-8