数项级数
数项级数的概念与性质
设 { u 0 } \{ u_0 \} { u 0 } 是一个无穷数列,则称式子
∑ n = 1 ∞ u n = u 1 + u 2 + ⋯ + u n + ⋯ \sum_{n = 1}^\infty u_n = u_1 + u_2 + \cdots + u_n + \cdots
n = 1 ∑ ∞ u n = u 1 + u 2 + ⋯ + u n + ⋯
为数项级数 。其中数 u n u_n u n 称为级数的第 n n n 项,也称为一般项 ;级数前 n n n 项和 S n = u 1 + u 2 + ⋯ + u n S_n = u_1 + u_2 + \cdots + u_n S n = u 1 + u 2 + ⋯ + u n 称为第 n n n 次部分和 ,数列 S 1 , S 2 , ⋯ , S n S_1, S_2, \cdots, S_n S 1 , S 2 , ⋯ , S n 称为级数的部分和数列 ,简记为 { S n } \{ S_n \} { S n } .
级数的敛散性: 如果当 n → ∞ n \to \infty n → ∞ 时,级数的部分和数列 { S n } \{ S_n \} { S n } 的极限存在,即
lim n → ∞ S n = s \lim_{n \to \infty} S_n = s
n → ∞ lim S n = s
则称该级数收敛 ,其和为 s s s ;否则称该级数发散 。
数项级数的性质:
设 ∑ n = 1 ∞ u n = s \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n = s n = 1 ∑ ∞ u n = s ,∑ n = 1 ∞ v n = σ \sum\limits_{n = 1}^\infty v_n = \sigma n = 1 ∑ ∞ v n = σ ,则 ∑ n = 1 ∞ ( u n ± v n ) = s ± σ \sum\limits_{n = 1}^\infty (u_n \pm v_n) = s \pm \sigma n = 1 ∑ ∞ ( u n ± v n ) = s ± σ .
设 ∑ n = 1 ∞ u n = s \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n = s n = 1 ∑ ∞ u n = s ,则 ∑ n = 1 ∞ a u n = a s ( a ≠ 0 ) \sum\limits_{n = 1}^\infty au_n = as\ (a \neq 0) n = 1 ∑ ∞ a u n = a s ( a = 0 ) .
在一个级数前加上或去掉有限项,级数的敛散性不会发生改变。
在收敛 数列中任意加上括号,既不改变其敛散性,也不改变其和。
级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 收敛的必要条件 是 lim n → ∞ u n = 0 \lim\limits_{n \to \infty} u_n = 0 n → ∞ lim u n = 0 .
例:讨论几何级数
∑ n = 0 ∞ q n = 1 + q + q 2 + ⋯ + q n + ⋯ \sum_{n = 0}^\infty q^n = 1 + q + q^2 + \cdots + q^n + \cdots
n = 0 ∑ ∞ q n = 1 + q + q 2 + ⋯ + q n + ⋯
的敛散性。
解:该级数的部分和为
S n = { ( 1 − q n ) 1 − q , q ≠ 1 n , q = 1 S_n = \begin{cases}
\dfrac{(1 - q^n)}{1 - q}, & q \neq 1 \\
n, & q = 1
\end{cases} S n = ⎩ ⎨ ⎧ 1 − q ( 1 − q n ) , n , q = 1 q = 1
当 ∣ q ∣ < 1 |q| < 1 ∣ q ∣ < 1 时,lim n → ∞ S n = 1 1 − q \lim\limits_{n \to \infty} S_n = \dfrac{1}{1 - q} n → ∞ lim S n = 1 − q 1 ,故级数收敛,且和为 1 1 − q \dfrac{1}{1 - q} 1 − q 1 ;
当 ∣ q ∣ ≥ 1 |q| \geq 1 ∣ q ∣ ≥ 1 时,lim n → ∞ S n \lim\limits_{n \to \infty} S_n n → ∞ lim S n 不存在,故级数发散。
定理: 各项倒数为等差数列的级数,称作调和级数 ,是一个发散的无穷级数。
例:证明调和级数
∑ n = 1 ∞ 1 n = 1 + 1 2 + 1 3 + ⋯ + 1 n + ⋯ \sum_{n = 1}^\infty\dfrac{1}{n} = 1 + \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{3} + \cdots + \dfrac{1}{n} + \cdots
n = 1 ∑ ∞ n 1 = 1 + 2 1 + 3 1 + ⋯ + n 1 + ⋯
是发散的。
解:反证法。假设该级数收敛,则对其部分和有 lim n → ∞ S n = s \lim\limits_{n \to \infty} S_n = s n → ∞ lim S n = s ,同理也有 lim n → ∞ S 2 n = s \lim\limits_{n \to \infty} S_{2n} = s n → ∞ lim S 2 n = s ,于是
lim n → ∞ ( S 2 n − S n ) = s − s = 0 \lim_{n \to \infty} (S_{2n} - S_n) = s - s = 0
n → ∞ lim ( S 2 n − S n ) = s − s = 0
但另一方面,有
S 2 n − S n = 1 n + 1 + 1 n + 2 + ⋯ + 1 2 n > 1 2 n + 1 2 n + ⋯ + 1 2 n = 1 2 S_{2n} - S_n = \frac{1}{n + 1} + \frac{1}{n + 2} + \cdots + \frac{1}{2n} > \frac{1}{2n} + \frac{1}{2n} + \cdots + \frac{1}{2n} = \frac{1}{2}
S 2 n − S n = n + 1 1 + n + 2 1 + ⋯ + 2 n 1 > 2 n 1 + 2 n 1 + ⋯ + 2 n 1 = 2 1
产生矛盾,所以上述假设不成立,该级数发散。
定理: 若级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 收敛,则级数 ∑ n = 1 ∞ u n + u n + 1 \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n + u_{n + 1} n = 1 ∑ ∞ u n + u n + 1 必收敛。
证明:设级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 的和为 s s s ,∑ n = 1 ∞ u n + u n + 1 \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n + u_{n + 1} n = 1 ∑ ∞ u n + u n + 1 的前 n n n 项和为 S n S_n S n ,则
S n = ( u 1 + u 2 ) + ( u 2 + u 3 ) + ⋯ + ( u n + u n + 1 ) = u 1 + 2 ( u 2 + ⋯ + u n ) + u n + 1 lim n → ∞ S n = u 1 + 2 ( s − u 1 ) = 2 s − u 1 \begin{aligned}
S_n &= (u_1 + u_2) + (u_2 + u_3) + \cdots + (u_n + u_{n + 1})\\
&= u_1 + 2(u_2 + \cdots + u_n) + u_{n + 1}\\
\lim_{n \to \infty} S_n &= u_1 + 2(s - u_1) = 2s - u_1
\end{aligned} S n n → ∞ lim S n = ( u 1 + u 2 ) + ( u 2 + u 3 ) + ⋯ + ( u n + u n + 1 ) = u 1 + 2 ( u 2 + ⋯ + u n ) + u n + 1 = u 1 + 2 ( s − u 1 ) = 2 s − u 1
故级数 ∑ n = 1 ∞ u n + u n + 1 \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n + u_{n + 1} n = 1 ∑ ∞ u n + u n + 1 收敛,和为 2 s − u 1 2s - u_1 2 s − u 1 .
正项级数的敛散性
若级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 的各项都是非负的,则称 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 为正项级数 。正项级数收敛的充要条件是它的部分和数列 { S n } \{ S_n \} { S n } 有上界。
比较判别法: 设 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 和 ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n = 1}^\infty v_n n = 1 ∑ ∞ v n 都是正项级数,且 u n ≤ v n u_n \leq v_n u n ≤ v n . 若级数 ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n = 1}^\infty v_n n = 1 ∑ ∞ v n 收敛,则级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 也收敛;反之,若级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 发散,则级数 ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n = 1}^\infty v_n n = 1 ∑ ∞ v n 也发散。
推论:
若正项级数 ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n = 1}^\infty v_n n = 1 ∑ ∞ v n 收敛,且存在正整数 N N N ,当 n ≥ N n \geq N n ≥ N 时有 u n ≤ k v n ( k > 0 ) u_n \leq kv_n\ (k > 0) u n ≤ k v n ( k > 0 ) 成立,则正项级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 收敛;
若正项级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 发散,且存在正整数 N N N ,当 n ≥ N n \geq N n ≥ N 时有 k u n ≤ v n ( k > 0 ) ku_n \leq v_n\ (k > 0) k u n ≤ v n ( k > 0 ) 成立,则正项级数 ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n = 1}^\infty v_n n = 1 ∑ ∞ v n 发散。
比较判别法的极限形式: 设 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 和 ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n = 1}^\infty v_n n = 1 ∑ ∞ v n 都是正项级数,v n > 0 v_n > 0 v n > 0 ,且 lim n → ∞ u n v n = l \lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{u_n}{v_n} = l n → ∞ lim v n u n = l ,
若 0 < l < + ∞ 0 < l < +\infty 0 < l < + ∞ ,则级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 和 ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n = 1}^\infty v_n n = 1 ∑ ∞ v n 敛散性相同;
若 l = 0 l = 0 l = 0 且 ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n = 1}^\infty v_n n = 1 ∑ ∞ v n 收敛,则 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 也收敛;
若 l = + ∞ l = +\infty l = + ∞ 且 ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n = 1}^\infty v_n n = 1 ∑ ∞ v n 发散,则 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 也发散。
例:判断 p 级数 (p > 0 p > 0 p > 0 )
∑ n = 1 ∞ 1 n p = 1 + 1 2 p + 1 3 p + ⋯ + 1 n p + ⋯ \sum_{n = 1}^\infty\dfrac{1}{n^p} = 1 + \dfrac{1}{2^p} + \dfrac{1}{3^p} + \cdots + \dfrac{1}{n^p} + \cdots
n = 1 ∑ ∞ n p 1 = 1 + 2 p 1 + 3 p 1 + ⋯ + n p 1 + ⋯
的敛散性。
解:当 p ≤ 1 p \leq 1 p ≤ 1 时,满足 1 n p ≥ 1 n \dfrac{1}{n^p} \geq \dfrac{1}{n} n p 1 ≥ n 1 ,使用比较判别法,将其和调和级数作比较,由调和级数发散可知该级数同样发散。
当 p > 1 p > 1 p > 1 时,该级数的前 n n n 项和为
S n = 1 + ( 1 2 p + 1 3 p ) + ( 1 4 p + ⋯ + 1 7 p ) + ( 1 8 p + ⋯ + 1 1 5 p ) + ⋯ + 1 n p ≤ 1 + ( 1 2 p + 1 2 p ) + ( 1 4 p + ⋯ + 1 4 p ) + ( 1 8 p + ⋯ + 1 8 p ) + ⋯ + ( 1 ( 2 l ) p + 1 ( 2 l ) p + ⋯ + 1 ( 2 l ) p ) ⏟ 2 l = 1 + 1 2 p − 1 + 1 ( 2 p − 1 ) 2 + ⋯ + 1 ( 2 p − 1 ) l = 1 − ( 1 2 p − 1 ) l + 1 1 − 1 2 p − 1 < 1 1 − 1 2 p − 1 \begin{aligned}
S_n &= 1 + \left( \frac{1}{2^p} + \frac{1}{3^p} \right) + \left( \frac{1}{4^p} + \cdots + \frac{1}{7^p} \right) + \left( \frac{1}{8^p} + \cdots + \frac{1}{15^p} \right) + \cdots + \frac{1}{n^p}\\
&\leq 1 + \left( \frac{1}{2^p} + \frac{1}{2^p} \right) + \left( \frac{1}{4^p} + \cdots + \frac{1}{4^p} \right) + \left( \frac{1}{8^p} + \cdots + \frac{1}{8^p} \right) + \cdots\\
&+ \underbrace{\left( \frac{1}{(2^l)^p} + \frac{1}{(2^l)^p} + \cdots + \frac{1}{(2^l)^p} \right)}_{2^l}\\
&= 1 + \frac{1}{2^{p - 1}} + \frac{1}{(2^{p - 1})^2} + \cdots + \frac{1}{(2^{p - 1})^l}\\
&= \frac{1 - \left( \dfrac{1}{2^{p - 1}} \right)^{l + 1}}{1 - \dfrac{1}{2^{p - 1}}} < \frac{1}{1 - \dfrac{1}{2^{p - 1}}}
\end{aligned} S n = 1 + ( 2 p 1 + 3 p 1 ) + ( 4 p 1 + ⋯ + 7 p 1 ) + ( 8 p 1 + ⋯ + 1 5 p 1 ) + ⋯ + n p 1 ≤ 1 + ( 2 p 1 + 2 p 1 ) + ( 4 p 1 + ⋯ + 4 p 1 ) + ( 8 p 1 + ⋯ + 8 p 1 ) + ⋯ + 2 l ( ( 2 l ) p 1 + ( 2 l ) p 1 + ⋯ + ( 2 l ) p 1 ) = 1 + 2 p − 1 1 + ( 2 p − 1 ) 2 1 + ⋯ + ( 2 p − 1 ) l 1 = 1 − 2 p − 1 1 1 − ( 2 p − 1 1 ) l + 1 < 1 − 2 p − 1 1 1
所以 S n S_n S n 有界,可得该级数收敛。
比值判别法(D’Alembert 判别法): 设 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 为正项级数,u n > 0 u_n > 0 u n > 0 ,且 lim n → ∞ u n + 1 u n = ρ \lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{u_{n + 1}}{u_n} = \rho n → ∞ lim u n u n + 1 = ρ . 则
{ ρ < 1 , 级数收敛 ρ > 1 或 lim n → ∞ u n + 1 u n = ∞ , 级数发散 ρ = 1 , 无法判断 \begin{cases}
\rho < 1, & \text{级数收敛}\\
\rho > 1 \ \text{或} \ \lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{u_{n + 1}}{u_n} = \infty, & \text{级数发散}\\
\rho = 1, & \text{无法判断}
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ ρ < 1 , ρ > 1 或 n → ∞ lim u n u n + 1 = ∞ , ρ = 1 , 级数收敛 级数发散 无法判断
证明:当 ρ < 1 \rho < 1 ρ < 1 时,取 q q q 满足 ρ < q < 1 \rho < q < 1 ρ < q < 1 . 由极限的保号性可知,存在正整数 N N N ,当 n > N n > N n > N 时有 u n + 1 u n < q \dfrac{u_{n + 1}}{u_n} < q u n u n + 1 < q ,从而
u N + 2 < q u N + 1 , u N + 3 < q u N + 2 < q 2 u N + 1 , ⋯ , u N + m < q m − 1 u N + 1 u_{N + 2} < qu_{N + 1}, u_{N + 3} < qu_{N + 2} < q^2u_{N + 1}, \cdots, u_{N + m} < q^{m - 1}u_{N + 1}
u N + 2 < q u N + 1 , u N + 3 < q u N + 2 < q 2 u N + 1 , ⋯ , u N + m < q m − 1 u N + 1
因为级数 ∑ m = 1 ∞ q m − 1 u N + 1 \sum\limits_{m = 1}^\infty q^{m - 1}u_{N + 1} m = 1 ∑ ∞ q m − 1 u N + 1 收敛,由比较判别法可知级数 ∑ m = 1 ∞ u N + m \sum\limits_{m = 1}^\infty u_{N + m} m = 1 ∑ ∞ u N + m 收敛,从而级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 收敛。
当 ρ > 1 \rho > 1 ρ > 1 时,由极限的保号性可知,存在正整数 N N N ,当 n > N n > N n > N 时有 u n + 1 u n > 1 \dfrac{u_{n + 1}}{u_n} > 1 u n u n + 1 > 1 ,即 u n + 1 > u n u_{n + 1} > u_n u n + 1 > u n . 于是 lim n → ∞ u n ≠ 0 \lim\limits_{n \to \infty} u_n \neq 0 n → ∞ lim u n = 0 ,从而级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 发散。
例:判别级数 ∑ n = 1 ∞ a n n ! n n ( a > 0 ) \sum_{n = 1}^\infty \dfrac{a^n n!}{n^n}\ (a > 0) ∑ n = 1 ∞ n n a n n ! ( a > 0 ) 的敛散性。
解:令 u n = a n n ! n n u_n = \dfrac{a^n n!}{n^n} u n = n n a n n ! ,则 u n > 0 u_n > 0 u n > 0 ,且
lim n → ∞ u n + 1 u n = lim n → ∞ a n + 1 ( n + 1 ) ! ( n + 1 ) n + 1 ⋅ n n a n n ! = lim n → ∞ a ( 1 + 1 n ) n = a e \lim_{n \to \infty} \frac{u_{n + 1}}{u_n} = \lim_{n \to \infty} \frac{a^{n + 1}(n + 1)!}{(n + 1)^{n + 1}} \cdot \frac{n^n}{a^n n!} = \lim_{n \to \infty}\frac{a}{\left( 1 + \dfrac{1}{n} \right)^n} = \frac{a}{e}
n → ∞ lim u n u n + 1 = n → ∞ lim ( n + 1 ) n + 1 a n + 1 ( n + 1 )! ⋅ a n n ! n n = n → ∞ lim ( 1 + n 1 ) n a = e a
当 a < e a < e a < e 时,级数 ∑ n = 1 ∞ a n n ! n n \sum_{n = 1}^\infty \dfrac{a^n n!}{n^n} ∑ n = 1 ∞ n n a n n ! 收敛;当 a > e a > e a > e 时,级数 ∑ n = 1 ∞ a n n ! n n \sum_{n = 1}^\infty \dfrac{a^n n!}{n^n} ∑ n = 1 ∞ n n a n n ! 发散;当 a = e a = e a = e 时,比值判别法失效。
根式判别法(Cauchy 判别法): 设 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 为正项级数,且 lim n → ∞ u n n = ρ \lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{u_n} = \rho n → ∞ lim n u n = ρ ,则
{ ρ < 1 , 级数收敛 ρ > 1 , 级数发散 ρ = 1 , 无法判断 \begin{cases}
\rho < 1, & \text{级数收敛}\\
\rho > 1, & \text{级数发散}\\
\rho = 1, & \text{无法判断}
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ ρ < 1 , ρ > 1 , ρ = 1 , 级数收敛 级数发散 无法判断
证明:当 ρ < 1 \rho < 1 ρ < 1 时,取 q q q 满足 ρ < q < 1 \rho < q < 1 ρ < q < 1 . 由极限的保号性可知,存在正整数 N N N ,当 n > N n > N n > N 时有 u n n < q < 1 \sqrt[n]{u_n} < q < 1 n u n < q < 1 ,即 u n < q n u_n < q^n u n < q n .
因为级数 ∑ m = 1 ∞ q n \sum\limits_{m = 1}^\infty q^n m = 1 ∑ ∞ q n 收敛,由比较判别法可知级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 也收敛。
当 ρ > 1 \rho > 1 ρ > 1 时,由极限的保号性可知,存在正整数 N N N ,当 n > N n > N n > N 时有 u n n > 1 \sqrt[n]{u_n} > 1 n u n > 1 ,即 u n > 1 u_n > 1 u n > 1 . 于是 lim n → ∞ u n ≠ 0 \lim\limits_{n \to \infty} u_n \neq 0 n → ∞ lim u n = 0 ,从而级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 发散。
当 ρ = 1 \rho = 1 ρ = 1 时,以 p 级数为例,有
u n n = ( 1 n n ) p → 1 ( n → ∞ ) \sqrt[n]{u_n} = \left( \frac{1}{\sqrt[n]{n}} \right)^p \to 1 \quad (n \to \infty)
n u n = ( n n 1 ) p → 1 ( n → ∞ )
说明当 ρ = 1 \rho = 1 ρ = 1 时,级数敛散性不定。
积分判别法: 设 f ( x ) f(x) f ( x ) 是半轴 x ≥ 1 x \geq 1 x ≥ 1 上的非负递减函数,且 f ( n ) = u n f(n) = u_n f ( n ) = u n ,则级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 收敛的充要条件是无穷积分 ∫ 1 + ∞ f ( x ) d x \displaystyle\int_1^{+\infty} f(x)\mathrm{d}x ∫ 1 + ∞ f ( x ) d x 收敛。
例:判别级数 ∑ n = 2 ∞ 1 n ( ln n ) p \sum\limits_{n = 2}^\infty \dfrac{1}{n(\ln n)^p} n = 2 ∑ ∞ n ( ln n ) p 1 的敛散性。
解:当 p ≤ 0 p \leq 0 p ≤ 0 时,由于
lim n → ∞ 1 n ( ln n ) p 1 n = lim n → ∞ ( ln n ) − p = + ∞ \lim_{n \to \infty} \frac{\dfrac{1}{n(\ln n)^p}}{\dfrac{1}{n}} = \lim_{n \to \infty} (\ln n)^{-p} = +\infty
n → ∞ lim n 1 n ( ln n ) p 1 = n → ∞ lim ( ln n ) − p = + ∞
而级数 ∑ n = 1 ∞ 1 n \sum\limits_{n = 1}^\infty \dfrac{1}{n} n = 1 ∑ ∞ n 1 发散,由比较判别法的极限形式可知,级数 ∑ n = 2 ∞ 1 n ( ln n ) p \sum\limits_{n = 2}^\infty \dfrac{1}{n(\ln n)^p} n = 2 ∑ ∞ n ( ln n ) p 1 发散。
当 p > 0 p > 0 p > 0 ,x ≥ 2 x \geq 2 x ≥ 2 时,取 f ( x ) = 1 x ( ln x ) p f(x) = \dfrac{1}{x(\ln x)^p} f ( x ) = x ( ln x ) p 1 ,则级数与无穷积分 ∫ 2 + ∞ 1 x ( ln x ) p d x \displaystyle\int_2^{+\infty} \frac{1}{x(\ln x)^p}\mathrm{d}x ∫ 2 + ∞ x ( ln x ) p 1 d x 具有相同的敛散性,而积分
∫ 2 + ∞ 1 x ( ln x ) p d x = ∫ 2 + ∞ 1 ( ln x ) p d ( ln x ) = ∫ ln 2 + ∞ 1 y p d y \int_2^{+\infty} \frac{1}{x(\ln x)^p}\mathrm{d}x = \int_2^{+\infty}\frac{1}{(\ln x)^p}\mathrm{d}(\ln x) = \int_{\ln 2}^{+\infty} \frac{1}{y^p}\mathrm{d}y
∫ 2 + ∞ x ( ln x ) p 1 d x = ∫ 2 + ∞ ( ln x ) p 1 d ( ln x ) = ∫ l n 2 + ∞ y p 1 d y
当 p > 1 p > 1 p > 1 时积分收敛,级数也同样收敛;当 p ≤ 1 p \leq 1 p ≤ 1 时积分发散,级数也同样发散。
任意项级数的敛散性
柯西(Cauchy)收敛准则: 数项级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 收敛的充要条件是:∀ ε > 0 \forall \varepsilon > 0 ∀ ε > 0 ,∃ \exists ∃ 正整数 N N N ,当 n > N n > N n > N 时,对一切正整数 p p p 有
∣ ∑ k = n + 1 n + p u k ∣ < ε \left| \sum_{k = n + 1}^{n + p} u_k \right| < \varepsilon
k = n + 1 ∑ n + p u k < ε
即
∣ u n + 1 + u n + 2 + ⋯ + u n + p ∣ < ε |u_{n + 1} + u_{n + 2} + \cdots + u_{n + p}| < \varepsilon
∣ u n + 1 + u n + 2 + ⋯ + u n + p ∣ < ε
例:利用柯西收敛准则证明级数 ∑ k = 1 ∞ 1 k 2 \sum\limits_{k = 1}^\infty \dfrac{1}{k^2} k = 1 ∑ ∞ k 2 1 收敛。
证明:
∑ k = n + 1 n + p 1 k 2 < 1 n ( n + 1 ) + 1 ( n + 1 ) ( n + 2 ) + ⋯ + 1 ( n + p − 1 ) ( n + p ) = ( 1 n − 1 n + 1 ) + ( 1 n + 1 − 1 n + 2 ) + ⋯ + ( 1 n + p − 1 − 1 n + p ) = 1 n − 1 n + p < 1 n \begin{aligned}
\sum_{k = n + 1}^{n + p} \frac{1}{k^2} &< \frac{1}{n(n + 1)} + \frac{1}{(n + 1)(n + 2)} + \cdots + \frac{1}{(n + p - 1)(n + p)}\\
&= \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n + 1} \right) + \left( \frac{1}{n + 1} - \frac{1}{n + 2} \right) + \cdots + \left( \frac{1}{n + p - 1} - \frac{1}{n + p} \right)\\
&= \frac{1}{n} - \frac{1}{n + p} < \frac{1}{n}
\end{aligned} k = n + 1 ∑ n + p k 2 1 < n ( n + 1 ) 1 + ( n + 1 ) ( n + 2 ) 1 + ⋯ + ( n + p − 1 ) ( n + p ) 1 = ( n 1 − n + 1 1 ) + ( n + 1 1 − n + 2 1 ) + ⋯ + ( n + p − 1 1 − n + p 1 ) = n 1 − n + p 1 < n 1
∀ ε > 0 \forall \varepsilon > 0 ∀ ε > 0 ,∃ N = ⌊ 1 ε ⌋ + 1 \exists N = \left\lfloor \dfrac{1}{\varepsilon} \right\rfloor + 1 ∃ N = ⌊ ε 1 ⌋ + 1 ,使得当 n > N n > N n > N 且 p p p 为正整数时有
∣ ∑ k = n + 1 n + p 1 k 2 ∣ < ε \left| \sum_{k = n + 1}^{n + p} \frac{1}{k^2} \right| < \varepsilon
k = n + 1 ∑ n + p k 2 1 < ε
由柯西收敛准则可知该级数收敛。
莱布尼茨(Leibniz)判别法: 若交错级数 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n + 1 u n ( u n > 0 ) \sum\limits_{n = 1}^\infty (-1)^{n + 1} u_n\ (u_n > 0) n = 1 ∑ ∞ ( − 1 ) n + 1 u n ( u n > 0 ) 满足
u n ≥ u n + 1 u_n \geq u_{n + 1} u n ≥ u n + 1 ;
lim n → ∞ u n = 0 \lim\limits_{n \to \infty} u_n = 0 n → ∞ lim u n = 0 .
则交错级数 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n + 1 u n \sum\limits_{n = 1}^\infty (-1)^{n + 1} u_n n = 1 ∑ ∞ ( − 1 ) n + 1 u n 收敛。
例:判别级数 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n n − ln n \sum\limits_{n = 1}^\infty \dfrac{(-1)^n}{n - \ln n} n = 1 ∑ ∞ n − ln n ( − 1 ) n 的收敛性。
解:因为 u n = 1 n − ln n u_n = \dfrac{1}{n - \ln n} u n = n − ln n 1 ,所以该级数为交错级数。因为
lim n → ∞ 1 n − ln n = lim n → ∞ 1 n ( 1 − ln n n ) = 0 \lim\limits_{n \to \infty} \dfrac{1}{n - \ln n} = \lim\limits_{n \to \infty} \dfrac{1}{n \left( 1 - \dfrac{\ln n}{n} \right)} = 0 n → ∞ lim n − ln n 1 = n → ∞ lim n ( 1 − n ln n ) 1 = 0 .
令 f ( x ) = 1 x − ln x f(x) = \dfrac{1}{x - \ln x} f ( x ) = x − ln x 1 ,则 f ′ ( x ) = − ( 1 − 1 x ) ( x − ln x ) 2 = 1 x − 1 ( x − ln x ) 2 f'(x) = \dfrac{-\left( 1 - \dfrac{1}{x} \right)}{(x - \ln x)^2} = \dfrac{\dfrac{1}{x} - 1}{(x - \ln x)^2} f ′ ( x ) = ( x − ln x ) 2 − ( 1 − x 1 ) = ( x − ln x ) 2 x 1 − 1 ,当 x > 1 x > 1 x > 1 时,f ′ ( x ) < 0 f'(x) < 0 f ′ ( x ) < 0 ,故 f ( x ) f(x) f ( x ) 为单调递减函数,有 u n + 1 < u n u_{n + 1} < u_n u n + 1 < u n .
综上所述,级数 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n n − ln n \sum\limits_{n = 1}^\infty \dfrac{(-1)^n}{n - \ln n} n = 1 ∑ ∞ n − ln n ( − 1 ) n 收敛。
绝对收敛与条件收敛:
设级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n ,若将其每一项都取绝对值以后得到的级数 ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \sum\limits_{n = 1}^\infty |u_n| n = 1 ∑ ∞ ∣ u n ∣ 收敛,则称级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 绝对收敛 ;
若级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 收敛,而级数 ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \sum\limits_{n = 1}^\infty |u_n| n = 1 ∑ ∞ ∣ u n ∣ 发散,则称级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 条件收敛 。
定理: 若级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 绝对收敛,则级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 必定收敛。
证明:令 v n = 1 2 ( ∣ u n ∣ + u n ) v_n = \dfrac{1}{2}(|u_n| + u_n) v n = 2 1 ( ∣ u n ∣ + u n ) ,则 0 ≤ v n ≤ ∣ u n ∣ 0 \leq v_n \leq |u_n| 0 ≤ v n ≤ ∣ u n ∣ . 又因为级数 ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \sum\limits_{n = 1}^\infty |u_n| n = 1 ∑ ∞ ∣ u n ∣ 收敛,故 ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n = 1}^\infty v_n n = 1 ∑ ∞ v n 收敛,因此 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n n = 1 ∑ ∞ u n 收敛。
例:若 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum\limits_{n = 0}^\infty a_n x^n n = 0 ∑ ∞ a n x n 在 x = x 0 ≠ 0 x = x_0 \neq 0 x = x 0 = 0 处收敛,证明在 ∣ x ∣ < ∣ x 0 ∣ |x| < |x_0| ∣ x ∣ < ∣ x 0 ∣ 内,∑ n = 0 ∞ a n x n \sum\limits_{n = 0}^\infty a_n x^n n = 0 ∑ ∞ a n x n 绝对收敛。
证:因为数项级数 ∑ n = 0 ∞ a n x 0 n \sum\limits_{n = 0}^\infty a_n x_0^n n = 0 ∑ ∞ a n x 0 n 收敛,所以 lim n → ∞ a n x 0 n = 0 \lim\limits_{n \to \infty} a_n x_0^n = 0 n → ∞ lim a n x 0 n = 0 ,从而数列 { a n x 0 n } \{ a_n x_0^n \} { a n x 0 n } 有界,即存在 M > 0 M > 0 M > 0 ,使得 ∣ a n x 0 n ∣ < M |a_n x_0^n| < M ∣ a n x 0 n ∣ < M .
当 ∣ x ∣ < ∣ x 0 ∣ |x| < |x_0| ∣ x ∣ < ∣ x 0 ∣ 时,由于
∣ a n x n ∣ = ∣ a n x 0 n ( x x 0 ) n ∣ < M ∣ x x 0 ∣ n \left| a_n x^n \right| = \left| a_n x_0^n \left( \frac{x}{x_0} \right)^n \right| < M \left| \frac{x}{x_0} \right|^n
∣ a n x n ∣ = a n x 0 n ( x 0 x ) n < M x 0 x n
且几何级数 ∑ n = 0 ∞ ∣ x x 0 ∣ n \sum\limits_{n = 0}^\infty \left| \dfrac{x}{x_0} \right|^n n = 0 ∑ ∞ x 0 x n 收敛,所以 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum\limits_{n = 0}^\infty a_n x^n n = 0 ∑ ∞ a n x n 绝对收敛。
函数项级数
函数项级数的基本概念
设区间 I I I 是函数 u n ( x ) ( n = 1 , 2 , ⋯ ) u_n(x) \ (n = 1, 2, \cdots) u n ( x ) ( n = 1 , 2 , ⋯ ) 的公共定义域,则称下式
∑ n = 1 ∞ u n ( x ) = u 1 ( x ) + u 2 ( x ) + ⋯ + u n ( x ) + ⋯ \sum_{n = 1}^\infty u_n(x) = u_1(x) + u_2(x) + \cdots + u_n(x) + \cdots
n = 1 ∑ ∞ u n ( x ) = u 1 ( x ) + u 2 ( x ) + ⋯ + u n ( x ) + ⋯
为 I I I 上的函数项级数 。对 x 0 ∈ I x_0 \in I x 0 ∈ I ,如果数项级数
u 1 ( x 0 ) + u 2 ( x 0 ) + ⋯ + u n ( x 0 ) + ⋯ u_1(x_0) + u_2(x_0) + \cdots + u_n(x_0) + \cdots
u 1 ( x 0 ) + u 2 ( x 0 ) + ⋯ + u n ( x 0 ) + ⋯
收敛,则称 x 0 x_0 x 0 为该级数的收敛点 ,否则称 x 0 x_0 x 0 为该级数的发散点 。级数的所有收敛点组成的集合为级数的收敛域 ,其发散点的集合称为级数的发散域 。
设级数的收敛域为 I I I ,对 I I I 中的每个点 x 0 x_0 x 0 ,规定
S ( x ) ∣ x = x 0 = ∑ n = 1 ∞ u n ( x 0 ) S(x)\big|_{x = x_0} = \sum_{n = 1}^\infty u_n(x_0)
S ( x ) x = x 0 = n = 1 ∑ ∞ u n ( x 0 )
则 S ( x ) S(x) S ( x ) 是定义在 I I I 上的函数,称为该级数的和函数 ,记作
S ( x ) = ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) S(x) = \sum_{n = 1}^\infty u_n(x)
S ( x ) = n = 1 ∑ ∞ u n ( x )
并且级数在 I I I 上处处收敛于 S ( x ) S(x) S ( x ) . 级数的前 n n n 项和记作 S n ( x ) S_n(x) S n ( x ) ,即
S n ( x ) = ∑ k = 1 n u k ( x ) S_n(x) = \sum_{k = 1}^n u_k(x)
S n ( x ) = k = 1 ∑ n u k ( x )
R n ( x ) = S ( x ) − S n ( x ) = ∑ k = n + 1 ∞ u k ( x ) R_n(x) = S(x) - S_n(x) = \sum_{k = n + 1}^\infty u_k(x) R n ( x ) = S ( x ) − S n ( x ) = ∑ k = n + 1 ∞ u k ( x ) 称为级数的余项 。
例:求函数项级数
e − x + 2 e − 2 x + ⋯ + n e − n x + ⋯ \mathrm{e}^{-x} + 2\mathrm{e}^{-2x} + \cdots + n\mathrm{e}^{-nx} + \cdots
e − x + 2 e − 2 x + ⋯ + n e − n x + ⋯
的收敛域。
解:函数 u n ( x ) = n e − n x u_n(x) = n\mathrm{e}^{-nx} u n ( x ) = n e − n x 的定义域是区间 ( − ∞ , + ∞ ) (-\infty, +\infty) ( − ∞ , + ∞ ) ,对每个给定的实数 x 0 x_0 x 0 ,有数项级数
e − x 0 + 2 e − 2 x 0 + ⋯ + n e − n x 0 + ⋯ \mathrm{e}^{-x_0} + 2e_{-2x_0} + \cdots + n\mathrm{e}^{-nx_0} + \cdots
e − x 0 + 2 e − 2 x 0 + ⋯ + n e − n x 0 + ⋯
因为
ρ = lim n → ∞ ( n + 1 ) e − ( n + 1 ) x 0 n e − n x 0 = e − x 0 \rho = \lim_{n \to \infty}\frac{(n + 1)\mathrm{e}^{-(n + 1)x_0}}{n\mathrm{e}^{-nx_0}} = \mathrm{e}^{-x_0}
ρ = n → ∞ lim n e − n x 0 ( n + 1 ) e − ( n + 1 ) x 0 = e − x 0
所以由比值判别法可得:
当 x 0 > 0 x_0 > 0 x 0 > 0 时,ρ < 1 \rho < 1 ρ < 1 ,级数收敛;
当 x 0 < 0 x_0 < 0 x 0 < 0 时,ρ > 1 \rho > 1 ρ > 1 ,级数发散;
当 x 0 = 0 x_0 = 0 x 0 = 0 时,级数为 1 + 2 + 3 + ⋯ + n + ⋯ 1 + 2 + 3 + \cdots + n + \cdots 1 + 2 + 3 + ⋯ + n + ⋯ ,它是发散的。
综上所述,该级数的收敛域为区间 ( 0 , + ∞ ) (0, +\infty) ( 0 , + ∞ ) .
函数项级数的一致收敛性
设 s ( x ) s(x) s ( x ) 是定义在 I I I 上的函数,若 ∀ ε > 0 \forall\varepsilon > 0 ∀ ε > 0 ,则存在正整数 N ( ε ) N(\varepsilon) N ( ε ) ,使得当 n > N n > N n > N 时,对 ∀ x ∈ I \forall x \in I ∀ x ∈ I ,都有
∣ ∑ k = 1 n u k ( x ) − s ( x ) ∣ < ε \left| \sum_{k = 1}^n u_k(x) - s(x) \right| < \varepsilon
k = 1 ∑ n u k ( x ) − s ( x ) < ε
则称级数 ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n(x) n = 1 ∑ ∞ u n ( x ) 在 I I I 上一致收敛 于 s ( x ) s(x) s ( x ) .
柯西(Cauchy)收敛准则: 级数 ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n(x) n = 1 ∑ ∞ u n ( x ) 在 I I I 上一致收敛的充要条件是:∀ ε > 0 \forall\varepsilon > 0 ∀ ε > 0 ,存在正整数 N ( ε ) N(\varepsilon) N ( ε ) ,当 n > N n > N n > N 时,对一切正整数 p p p 和 ∀ x ∈ I \forall x \in I ∀ x ∈ I ,都有
∣ S n + p ( x ) − S n ( x ) ∣ = ∣ ∑ k = n + 1 n + p u k ( x ) ∣ < ε |S_{n + p}(x) - S_n(x)| = \left| \sum_{k = n + 1}^{n + p} u_k(x) \right| < \varepsilon
∣ S n + p ( x ) − S n ( x ) ∣ = k = n + 1 ∑ n + p u k ( x ) < ε
M 判别法(Weierstrass 判别法): 设正项级数 ∑ n = 1 ∞ M n \sum\limits_{n = 1}^\infty M_n n = 1 ∑ ∞ M n 收敛,若对 ∀ x ∈ I \forall x \in I ∀ x ∈ I ,都有
∣ u n ( x ) ∣ ≤ M n |u_n(x)| \leq M_n
∣ u n ( x ) ∣ ≤ M n
则函数项级数 ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n(x) n = 1 ∑ ∞ u n ( x ) 在 I I I 上一致收敛。称数项级数 ∑ n = 1 ∞ M n \sum\limits_{n = 1}^\infty M_n n = 1 ∑ ∞ M n 为函数项级数 ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n(x) n = 1 ∑ ∞ u n ( x ) 的强级数 。
一致收敛数的和函数的性质:
例:函数项级数 x + ∑ n = 1 ∞ ( x n + 1 − x n ) x + \sum\limits_{n = 1}^\infty(x^{n + 1} - x^n) x + n = 1 ∑ ∞ ( x n + 1 − x n ) 的第 n n n 次部分和为
S n ( x ) = x n S_n(x) = x^n
S n ( x ) = x n
由此可见,当且仅当 x ∈ ( − 1 , 1 ] x \in (-1, 1] x ∈ ( − 1 , 1 ] 时,极限 lim n → ∞ S n ( x ) \lim\limits_{n \to \infty}S_n(x) n → ∞ lim S n ( x ) 存在,且
lim n → ∞ S n ( x ) = { 0 , x ∈ ( − 1 , 1 ) 1 , x = 1 \lim_{n \to \infty} S_n(x) = \begin{cases}
0, & x \in (-1, 1) \\
1, & x = 1
\end{cases} n → ∞ lim S n ( x ) = { 0 , 1 , x ∈ ( − 1 , 1 ) x = 1
和函数的连续性: 设 u n ( x ) ( n = 1 , 2 , ⋯ ) u_n(x)\ (n = 1, 2, \cdots) u n ( x ) ( n = 1 , 2 , ⋯ ) 在 I I I 上都连续,若函数项级数 ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n(x) n = 1 ∑ ∞ u n ( x ) 在 I I I 上一致收敛,则其和函数 S ( x ) S(x) S ( x ) 在 I I I 上也连续。
和函数的可积性: 设 u n ( x ) ( n = 1 , 2 , ⋯ ) u_n(x)\ (n = 1, 2, \cdots) u n ( x ) ( n = 1 , 2 , ⋯ ) 在 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上都连续,若函数项级数 ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n(x) n = 1 ∑ ∞ u n ( x ) 在 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上一致收敛,则其和函数 S ( x ) S(x) S ( x ) 在 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上可积,且
∫ a b S ( x ) d x = ∫ a b ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) d x = ∑ n = 1 ∞ ∫ a b u n ( x ) d x \int_a^b S(x)\mathrm{d}x = \int_a^b \sum_{n = 1}^\infty u_n(x)\mathrm{d}x = \sum_{n = 1}^\infty \int_a^b u_n(x)\mathrm{d}x
∫ a b S ( x ) d x = ∫ a b n = 1 ∑ ∞ u n ( x ) d x = n = 1 ∑ ∞ ∫ a b u n ( x ) d x
和函数的可微性: 设 u n ( x ) ( n = 1 , 2 , ⋯ ) u_n(x)\ (n = 1, 2, \cdots) u n ( x ) ( n = 1 , 2 , ⋯ ) 在 I I I 上都有连续导数,若函数项级数 ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n(x) n = 1 ∑ ∞ u n ( x ) 在 I I I 上处处收敛于 S ( x ) S(x) S ( x ) ,且 ∑ n = 1 ∞ u n ′ ( x ) \sum\limits_{n = 1}^\infty u_n'(x) n = 1 ∑ ∞ u n ′ ( x ) 在 I I I 上一致收敛,则和函数 S ( x ) S(x) S ( x ) 在 I I I 上可导,且
S ′ ( x ) = ∑ n = 1 ∞ u n ′ ( x ) S'(x) = \sum_{n = 1}^\infty u_n'(x)
S ′ ( x ) = n = 1 ∑ ∞ u n ′ ( x )
幂级数的概念与性质
形如
a 0 + a 1 ( x − x 0 ) + a 2 ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + a n ( x − x 0 ) n + ⋯ a_0 + a_1(x - x_0) + a_2(x - x_0)^2 + \cdots + a_n(x - x_0)^n + \cdots
a 0 + a 1 ( x − x 0 ) + a 2 ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + a n ( x − x 0 ) n + ⋯
的函数项级数,称为在点 x 0 x_0 x 0 的幂级数 。当 x 0 = 0 x_0 = 0 x 0 = 0 时,有在点 x = 0 x = 0 x = 0 处的幂函数为
a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + ⋯ + a n x n + ⋯ a_0 + a_1x + a_2x^2 + \cdots + a_nx^n + \cdots
a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + ⋯ + a n x n + ⋯
阿贝尔(Abel)定理: 若级数在 x = x ‾ ( x ‾ ≠ 0 ) x = \overline{x}\ (\overline{x} \neq 0) x = x ( x = 0 ) 处收敛,则对满足不等式 ∣ x ∣ < ∣ x ‾ ∣ |x| < |\overline{x}| ∣ x ∣ < ∣ x ∣ 的任意 x x x ,幂级数绝对收敛;反之,若级数在 x = x ‾ x = \overline{x} x = x 处发散,则对满足不等式 ∣ x ∣ > ∣ x ‾ ∣ |x| > |\overline{x}| ∣ x ∣ > ∣ x ∣ 的任意 x x x ,幂级数发散。
由阿贝尔定理可知,幂级数的收敛域就是以原点为中心的区间,若将区间的长度表示为 2 R 2R 2 R ,则称 R R R 为幂级数的收敛半径 ,称 ( − R , R ) (-R, R) ( − R , R ) 为幂级数的收敛区间 (不包括端点)。
定理: 如果 lim n → ∞ ∣ a n + 1 a n ∣ = ρ \lim\limits_{n \to \infty}\left| \dfrac{a_{n + 1}}{a_n} \right| = \rho n → ∞ lim a n a n + 1 = ρ 或 lim n → ∞ ∣ a n ∣ n = ρ \lim\limits_{n \to \infty}\sqrt[n]{|a_n|} = \rho n → ∞ lim n ∣ a n ∣ = ρ ,则幂级数的收敛半径满足
R = { 1 ρ , 0 < ρ < + ∞ 0 , ρ = + ∞ + ∞ , ρ = 0 R = \begin{cases}
\dfrac{1}{\rho}, & 0 < \rho < +\infty \\
0, & \rho = +\infty \\
+\infty, & \rho = 0
\end{cases} R = ⎩ ⎨ ⎧ ρ 1 , 0 , + ∞ , 0 < ρ < + ∞ ρ = + ∞ ρ = 0
例:求幂级数 ∑ n = 1 ∞ ( x + 1 ) n 2 n ⋅ n \sum\limits_{n = 1}^\infty \dfrac{(x + 1)^n}{2^n \cdot n} n = 1 ∑ ∞ 2 n ⋅ n ( x + 1 ) n 的收敛区间与收敛域。
解:令 t = x + 1 t = x + 1 t = x + 1 ,则原级数可以写成 ∑ n = 1 ∞ t n 2 n ⋅ n \sum\limits_{n = 1}^\infty \dfrac{t^n}{2^n \cdot n} n = 1 ∑ ∞ 2 n ⋅ n t n ,因为
ρ = lim n → ∞ ∣ a n + 1 a n ∣ = lim n → ∞ 2 n ⋅ n 2 n + 1 ( n + 1 ) = 1 2 \rho = \lim\limits_{n \to \infty}\left| \frac{a_{n + 1}}{a_n} \right| = \lim_{n \to \infty}\frac{2^n \cdot n}{2^{n + 1}(n + 1)} = \frac{1}{2}
ρ = n → ∞ lim a n a n + 1 = n → ∞ lim 2 n + 1 ( n + 1 ) 2 n ⋅ n = 2 1
所以收敛半径 R = 2 R = 2 R = 2 .
接下来对端点的敛散性进行判断:
当 t = 2 t = 2 t = 2 时,∑ n = 1 ∞ t n 2 n ⋅ n = ∑ n = 1 ∞ 1 n \sum\limits_{n = 1}^\infty \dfrac{t^n}{2^n \cdot n} = \sum\limits_{n = 1}^\infty\dfrac{1}{n} n = 1 ∑ ∞ 2 n ⋅ n t n = n = 1 ∑ ∞ n 1 ,级数发散;
当 t = − 2 t = -2 t = − 2 时,∑ n = 1 ∞ t n 2 n ⋅ n = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n n \sum\limits_{n = 1}^\infty \dfrac{t^n}{2^n \cdot n} = \sum\limits_{n = 1}^\infty\dfrac{(-1)^n}{n} n = 1 ∑ ∞ 2 n ⋅ n t n = n = 1 ∑ ∞ n ( − 1 ) n ,级数收敛。
综上所述,原级数的收敛区间为 ( − 3 , 1 ) (-3, 1) ( − 3 , 1 ) ,收敛域为 [ − 3 , 1 ) [-3, 1) [ − 3 , 1 ) .
幂级数的代数运算: 设幂级数 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum\limits_{n = 0}^\infty a_n x^n n = 0 ∑ ∞ a n x n 和 ∑ n = 0 ∞ b n x n \sum\limits_{n = 0}^\infty b_n x^n n = 0 ∑ ∞ b n x n 的收敛半径分别为 R 1 R_1 R 1 和 R 2 R_2 R 2 ,并令 R = min { R 1 , R 2 } R = \min\{ R_1, R_2 \} R = min { R 1 , R 2 } ,则在 ( − R , R ) (-R, R) ( − R , R ) 内有
( ∑ n = 0 ∞ a n x n ) ± ( ∑ n = 0 ∞ b n x n ) = ∑ n = 0 ∞ ( a n ± b n ) x n \left( \sum_{n = 0}^\infty a_n x^n \right) \pm \left( \sum_{n = 0}^\infty b_n x^n \right) = \sum_{n = 0}^\infty (a_n \pm b_n)x^n
( n = 0 ∑ ∞ a n x n ) ± ( n = 0 ∑ ∞ b n x n ) = n = 0 ∑ ∞ ( a n ± b n ) x n
( ∑ n = 0 ∞ a n x n ) ⋅ ( ∑ n = 0 ∞ b n x n ) = ∑ n = 0 ∞ c n x n , c n = ∑ k = 0 n a k b n − k \left( \sum_{n = 0}^\infty a_n x^n \right) \cdot \left( \sum_{n = 0}^\infty b_n x^n \right) = \sum_{n = 0}^\infty c_n x^n, \quad c_n = \sum_{k = 0}^n a_k b_{n - k}
( n = 0 ∑ ∞ a n x n ) ⋅ ( n = 0 ∑ ∞ b n x n ) = n = 0 ∑ ∞ c n x n , c n = k = 0 ∑ n a k b n − k
幂级数的分析运算: 设幂级数 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum\limits_{n = 0}^\infty a_n x^n n = 0 ∑ ∞ a n x n 的收敛半径为 R R R ,和函数为 S ( n ) S(n) S ( n ) ,则
S ( x ) S(x) S ( x ) 在收敛区间 ( − R , R ) (-R, R) ( − R , R ) 内连续;如果幂级数在点 x = R x = R x = R (或 x = − R x = -R x = − R )处收敛,则 S ( x ) S(x) S ( x ) 在 x = R x = R x = R 处左连续(或在 x = − R x = -R x = − R 处右连续)。
S ( x ) S(x) S ( x ) 在收敛区间 ( − R , R ) (-R, R) ( − R , R ) 内可微,且可逐项求导,求导后的幂级数与原级数的收敛半径相同:
S ′ ( x ) = ( ∑ n = 0 ∞ a n x n ) ′ = ∑ n = 1 ∞ n a n x n − 1 S'(x) = \left( \sum_{n = 0}^\infty a_n x^n \right)' = \sum_{n = 1}^\infty n a_n x^{n - 1}
S ′ ( x ) = ( n = 0 ∑ ∞ a n x n ) ′ = n = 1 ∑ ∞ n a n x n − 1
S ( x ) S(x) S ( x ) 在收敛区间 ( − R , R ) (-R, R) ( − R , R ) 内可积,且可逐项求积分,求积分后的幂级数与原级数的收敛半径相同:
∫ 0 x S ( t ) d t = ∫ 0 x ( ∑ n = 0 ∞ a n t n ) d t = ∑ n = 0 ∞ ∫ 0 x a n t n d t = ∑ n = 0 ∞ a n n + 1 x n + 1 \int_0^x S(t)\mathrm{d}t = \int_0^x \left( \sum_{n = 0}^\infty a_n t^n \right)\mathrm{d}t = \sum_{n = 0}^\infty \int_0^x a_n t^n \mathrm{d}t = \sum_{n = 0}^\infty \frac{a_n}{n + 1} x^{n + 1}
∫ 0 x S ( t ) d t = ∫ 0 x ( n = 0 ∑ ∞ a n t n ) d t = n = 0 ∑ ∞ ∫ 0 x a n t n d t = n = 0 ∑ ∞ n + 1 a n x n + 1
例:求 ∑ n = 1 ∞ x n n \sum\limits_{n = 1}^\infty \dfrac{x^n}{n} n = 1 ∑ ∞ n x n 的和函数。
解:因为
lim n → ∞ n n + 1 = 1 \lim_{n \to \infty} \frac{n}{n + 1} = 1
n → ∞ lim n + 1 n = 1
所以该幂函数的收敛半径为 1 1 1 ,设其在 ( − 1 , 1 ) (-1, 1) ( − 1 , 1 ) 内的和函数为 S ( x ) S(x) S ( x ) ,于是当 ∣ x ∣ < 1 |x| < 1 ∣ x ∣ < 1 时,有
S ( x ) = ∑ n = 1 ∞ x n n = ∑ n = 1 ∞ ∫ 0 x ( t n n ) ′ d t = ∫ 0 x ∑ n = 1 ∞ ( t n n ) ′ d t = ∫ 0 x ( ∑ n = 0 ∞ t n ) d t = ∫ 0 x d t 1 − t = − ln ( 1 − x ) \begin{aligned}
S(x) &= \sum_{n = 1}^\infty \frac{x^n}{n} = \sum_{n = 1}^\infty \int_0^x \left( \frac{t^n}{n} \right)'\mathrm{d}t\\
&= \int_0^x \sum_{n = 1}^\infty \left( \frac{t^n}{n} \right)'\mathrm{d}t = \int_0^x \left( \sum_{n = 0}^\infty t^n \right)\mathrm{d}t\\
&= \int_0^x \frac{\mathrm{d}t}{1 - t} = -\ln(1 - x)
\end{aligned} S ( x ) = n = 1 ∑ ∞ n x n = n = 1 ∑ ∞ ∫ 0 x ( n t n ) ′ d t = ∫ 0 x n = 1 ∑ ∞ ( n t n ) ′ d t = ∫ 0 x ( n = 0 ∑ ∞ t n ) d t = ∫ 0 x 1 − t d t = − ln ( 1 − x )
因为该幂级数在 x = − 1 x = -1 x = − 1 处收敛,从而
∑ n = 1 ∞ x n n ∣ x = − 1 = lim x → − 1 + ∑ n = 1 ∞ x n n = lim x → − 1 + [ − ln ( 1 − x ) ] = − ln 2 \sum_{n = 1}^\infty \frac{x^n}{n}\bigg|_{x = -1} = \lim_{x \to -1^+}\sum_{n = 1}^\infty \frac{x^n}{n} = \lim_{x \to -1^+}[-\ln(1 - x)] = -\ln 2
n = 1 ∑ ∞ n x n x = − 1 = x → − 1 + lim n = 1 ∑ ∞ n x n = x → − 1 + lim [ − ln ( 1 − x )] = − ln 2
故
∑ n = 1 ∞ x n n = − ln ( 1 − x ) ( − 1 ≤ x < 1 ) \sum_{n = 1}^\infty \frac{x^n}{n} = -\ln(1 - x) \quad (-1 \leq x < 1)
n = 1 ∑ ∞ n x n = − ln ( 1 − x ) ( − 1 ≤ x < 1 )
函数展开成幂级数
如果存在 R > 0 R > 0 R > 0 ,使得当 ∣ x − x 0 ∣ < R |x - x_0| < R ∣ x − x 0 ∣ < R 时,有
f ( x ) = a 0 + a 1 ( x − x 0 ) + a 2 ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + a n ( x − x 0 ) n + ⋯ f(x) = a_0 + a_1(x - x_0) + a_2(x - x_0)^2 + \cdots + a_n(x - x_0)^n + \cdots
f ( x ) = a 0 + a 1 ( x − x 0 ) + a 2 ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + a n ( x − x 0 ) n + ⋯
则称该式为函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 在点 x = x 0 x = x_0 x = x 0 处的幂级数展开式 。
函数展开成幂级数的必要条件: 如果在 ∣ x − x 0 ∣ < R |x - x_0| < R ∣ x − x 0 ∣ < R 内上幂级数展开式成立,则有
f ( x ) f(x) f ( x ) 在 ∣ x − x 0 ∣ < R |x - x_0| < R ∣ x − x 0 ∣ < R 内具有任意阶导数;
f ( x ) f(x) f ( x ) 在点 x = x 0 x = x_0 x = x 0 处的幂级数展开式就是
f ( x ) = f ( x 0 ) + f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) + 1 2 ! f ′ ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + 1 n ! f ( n ) ( x 0 ) ( x − x 0 ) n + ⋯ \begin{aligned}
f(x) = & f(x_0) + f'(x_0)(x - x_0) + \frac{1}{2!}f''(x_0)(x - x_0)^2 + \cdots\\
& + \frac{1}{n!}f^{(n)}(x_0)(x - x_0)^n + \cdots
\end{aligned} f ( x ) = f ( x 0 ) + f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) + 2 ! 1 f ′′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + n ! 1 f ( n ) ( x 0 ) ( x − x 0 ) n + ⋯
称上式右端的幂级数为 f ( x ) f(x) f ( x ) 在点 x = x 0 x = x_0 x = x 0 处的泰勒级数 。当 x 0 = 0 x_0 = 0 x 0 = 0 时,上式可以写成
f ( x ) = f ( 0 ) + f ′ ( 0 ) x + 1 2 ! f ′ ′ ( 0 ) x 2 + ⋯ + 1 n ! f ( n ) ( 0 ) x n + ⋯ f(x) = f(0) + f'(0)x + \frac{1}{2!}f''(0)x^2 + \cdots + \frac{1}{n!}f^{(n)}(0)x^n + \cdots
f ( x ) = f ( 0 ) + f ′ ( 0 ) x + 2 ! 1 f ′′ ( 0 ) x 2 + ⋯ + n ! 1 f ( n ) ( 0 ) x n + ⋯
此时上式右端的幂级数又称为 f ( x ) f(x) f ( x ) 的麦克劳林级数 。
函数展开成幂级数的充分条件: 若 f ( x ) f(x) f ( x ) 在点 x = x 0 x = x_0 x = x 0 的邻域内具有 n + 1 n + 1 n + 1 阶导数,则有‘
f ( x ) = ∑ k = 0 n f ( k ) ( x 0 ) k ! ( x − x 0 ) k + R n ( x ) f(x) = \sum_{k = 0}^n \frac{f^{(k)}(x_0)}{k!}(x - x_0)^k + R_n(x)
f ( x ) = k = 0 ∑ n k ! f ( k ) ( x 0 ) ( x − x 0 ) k + R n ( x )
其中 R n ( x ) R_n(x) R n ( x ) 为余项。
假设存在 R > 0 R > 0 R > 0 ,使得 f ( x ) f(x) f ( x ) 在 ∣ x − x 0 ∣ < R |x - x_0| < R ∣ x − x 0 ∣ < R 内具有任意阶导数。当 ∣ x − x 0 ∣ < R |x - x_0| < R ∣ x − x 0 ∣ < R 时,若有
lim n → ∞ R n ( x ) = lim n → ∞ [ f ( x ) − ∑ k = 0 n f ( k ) ( x 0 ) k ! ( x − x 0 ) k ] = 0 \lim_{n \to \infty} R_n(x) = \lim\limits_{n \to \infty}\left[ f(x) - \sum_{k = 0}^n \frac{f^{(k)}(x_0)}{k!}(x - x_0)^k \right] = 0
n → ∞ lim R n ( x ) = n → ∞ lim [ f ( x ) − k = 0 ∑ n k ! f ( k ) ( x 0 ) ( x − x 0 ) k ] = 0
则 f ( x ) f(x) f ( x ) 可展开成泰勒级数。
结论: 设 f ( x ) f(x) f ( x ) 在点 x 0 x_0 x 0 处的一邻域内具有任意阶导数,并且存在 R > 0 R > 0 R > 0 ,使得当 ∣ x − x 0 ∣ < R |x - x_0| < R ∣ x − x 0 ∣ < R 时,有 lim n → ∞ R n ( x ) = 0 \lim\limits_{n \to \infty} R_n(x) = 0 n → ∞ lim R n ( x ) = 0 ,则在 ∣ x − x 0 ∣ < R |x - x_0| < R ∣ x − x 0 ∣ < R 内,f ( x ) f(x) f ( x ) 可展开成泰勒级数。
初等函数的幂级数展开式: (大部分和对应的麦克劳林展开式相同)
(1)e x = 1 + x + 1 2 ! x 2 + ⋯ + 1 n ! x n + ⋯ \mathrm{e}^x = 1 + x + \dfrac{1}{2!}x^2 + \cdots + \dfrac{1}{n!}x^n + \cdots e x = 1 + x + 2 ! 1 x 2 + ⋯ + n ! 1 x n + ⋯
直接法:因为 f ( n ) ( 0 ) = 1 , f ( n ) ( x ) = e x ( n = 0 , 1 , 2 , ⋯ ) f^{(n)}(0) = 1, f^{(n)}(x) = \mathrm{e}^x\ (n = 0, 1, 2, \cdots) f ( n ) ( 0 ) = 1 , f ( n ) ( x ) = e x ( n = 0 , 1 , 2 , ⋯ ) ,所以当 x ∈ ( − ∞ , + ∞ ) x \in (-\infty, +\infty) x ∈ ( − ∞ , + ∞ ) 时,有
e x = 1 + x + 1 2 ! x 2 + ⋯ + 1 n ! x n + R n ( x ) R n ( x ) = e θ x ( n + 1 ) ! x n + 1 ( 0 < θ < 1 ) \mathrm{e}^x = 1 + x + \dfrac{1}{2!}x^2 + \cdots + \dfrac{1}{n!}x^n + R_n(x)\\
R_n(x) = \frac{\mathrm{e}^{\theta x}}{(n + 1)!}x^{n + 1} \quad (0 < \theta < 1) e x = 1 + x + 2 ! 1 x 2 + ⋯ + n ! 1 x n + R n ( x ) R n ( x ) = ( n + 1 )! e θ x x n + 1 ( 0 < θ < 1 )
对每个固定的 x ∈ ( − ∞ , + ∞ ) x \in (-\infty, +\infty) x ∈ ( − ∞ , + ∞ ) ,有
lim n → ∞ R n ( x ) = lim n → ∞ e θ x ( n + 1 ) ! x n + 1 = 0 \lim_{n \to \infty} R_n(x) = \lim_{n \to \infty} \frac{\mathrm{e}^{\theta x}}{(n + 1)!}x^{n + 1} = 0
n → ∞ lim R n ( x ) = n → ∞ lim ( n + 1 )! e θ x x n + 1 = 0
(2)sin x = x − 1 3 ! x 3 + 1 5 ! x 5 − ⋯ + ( − 1 ) n − 1 1 ( 2 n − 1 ) ! x 2 n − 1 + ⋯ \sin{x} = x - \dfrac{1}{3!}x^3 + \dfrac{1}{5!}x^5 - \cdots + (-1)^{n-1}\dfrac{1}{(2n - 1)!}x^{2n - 1} + \cdots sin x = x − 3 ! 1 x 3 + 5 ! 1 x 5 − ⋯ + ( − 1 ) n − 1 ( 2 n − 1 )! 1 x 2 n − 1 + ⋯
直接法:当 x ∈ ( − ∞ , + ∞ ) x \in (-\infty, +\infty) x ∈ ( − ∞ , + ∞ ) 时,有
sin x = x − 1 3 ! x 3 + 1 5 ! x 5 − ⋯ + ( − 1 ) n − 1 1 ( 2 n − 1 ) ! x 2 n − 1 + R 2 n ( x ) R 2 n = sin ( θ x + π 2 ( 2 n + 1 ) ) ( 2 n + 1 ) ! x 2 n + 1 ( 0 < θ < 1 ) \sin{x} = x - \dfrac{1}{3!}x^3 + \dfrac{1}{5!}x^5 - \cdots + (-1)^{n-1}\dfrac{1}{(2n - 1)!}x^{2n - 1} + R_{2n}(x)\\
R_{2n} = \frac{\sin(\theta x + \frac{\pi}{2}(2n + 1))}{(2n + 1)!}x^{2n + 1} \quad (0 < \theta < 1) sin x = x − 3 ! 1 x 3 + 5 ! 1 x 5 − ⋯ + ( − 1 ) n − 1 ( 2 n − 1 )! 1 x 2 n − 1 + R 2 n ( x ) R 2 n = ( 2 n + 1 )! sin ( θ x + 2 π ( 2 n + 1 )) x 2 n + 1 ( 0 < θ < 1 )
对每个固定的 x ∈ ( − ∞ , + ∞ ) x \in (-\infty, +\infty) x ∈ ( − ∞ , + ∞ ) ,有
lim n → ∞ R 2 n ( x ) = lim n → ∞ sin ( θ x + π 2 ( 2 n + 1 ) ) ( 2 n + 1 ) ! x 2 n + 1 = 0 \lim_{n \to \infty} R_{2n}(x) = \lim_{n \to \infty} \frac{\sin(\theta x + \frac{\pi}{2}(2n + 1))}{(2n + 1)!}x^{2n + 1} = 0
n → ∞ lim R 2 n ( x ) = n → ∞ lim ( 2 n + 1 )! sin ( θ x + 2 π ( 2 n + 1 )) x 2 n + 1 = 0
(3)cos x = 1 − 1 2 ! x 2 + 1 4 ! x 4 − ⋯ + ( − 1 ) n 1 ( 2 n ) ! x 2 n + ⋯ \cos{x} = 1 - \dfrac{1}{2!}x^2 + \dfrac{1}{4!}x^4 - \cdots + (-1)^n\dfrac{1}{(2n)!}x^{2n} + \cdots cos x = 1 − 2 ! 1 x 2 + 4 ! 1 x 4 − ⋯ + ( − 1 ) n ( 2 n )! 1 x 2 n + ⋯
间接法:
cos x = ( sin x ) ′ = [ ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 x 2 n − 1 ( 2 n − 1 ) ! ] ′ = ∑ n = 1 ∞ [ ( − 1 ) n − 1 ( 2 n − 1 ) ! x 2 n − 1 ] ′ = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n ( 2 n ) ! x 2 n \begin{aligned}
\cos x &= (\sin x)' = \left[ \sum_{n = 1}^\infty(-1)^{n - 1}\frac{x^{2n - 1}}{(2n - 1)!} \right]'\\
&= \sum_{n = 1}^\infty\left[ \frac{(-1)^{n - 1}}{(2n - 1)!}x^{2n - 1} \right]'\\
&= \sum_{n = 1}^\infty\frac{(-1)^n}{(2n)!}x^{2n}
\end{aligned} cos x = ( sin x ) ′ = [ n = 1 ∑ ∞ ( − 1 ) n − 1 ( 2 n − 1 )! x 2 n − 1 ] ′ = n = 1 ∑ ∞ [ ( 2 n − 1 )! ( − 1 ) n − 1 x 2 n − 1 ] ′ = n = 1 ∑ ∞ ( 2 n )! ( − 1 ) n x 2 n
(4)ln ( 1 + x ) = x − 1 2 x 2 + 1 3 x 3 − ⋯ + ( − 1 ) n 1 n + 1 x n + 1 + ⋯ , ( − 1 < x ≤ 1 ) \ln(1 + x) = x - \dfrac{1}{2}x^2 + \dfrac{1}{3}x^3 - \cdots + (-1)^n\dfrac{1}{n + 1}x^{n + 1} + \cdots, \quad (-1 < x \leq 1) ln ( 1 + x ) = x − 2 1 x 2 + 3 1 x 3 − ⋯ + ( − 1 ) n n + 1 1 x n + 1 + ⋯ , ( − 1 < x ≤ 1 )
间接法:
ln ( 1 + x ) = ∫ 0 x ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n t n d t = ∑ n = 0 ∞ ∫ 0 x ( − 1 ) n t n d t = ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n x n + 1 n + 1 \begin{aligned}
\ln(1 + x) &= \int_0^x \sum_{n = 0}^\infty (-1)^n t^n \mathrm{d}t = \sum_{n = 0}^\infty \int_0^x (-1)^n t^n \mathrm{d}t\\
&= \sum_{n = 0}^\infty (-1)^n\frac{x^{n + 1}}{n + 1}
\end{aligned} ln ( 1 + x ) = ∫ 0 x n = 0 ∑ ∞ ( − 1 ) n t n d t = n = 0 ∑ ∞ ∫ 0 x ( − 1 ) n t n d t = n = 0 ∑ ∞ ( − 1 ) n n + 1 x n + 1
(5)arctan x = ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n x 2 n + 1 2 n + 1 , ( ∣ x ∣ ≤ 1 ) \arctan{x} = \sum\limits_{n = 0}^\infty (-1)^n\dfrac{x^{2n + 1}}{2n + 1}, \quad (|x| \leq 1) arctan x = n = 0 ∑ ∞ ( − 1 ) n 2 n + 1 x 2 n + 1 , ( ∣ x ∣ ≤ 1 )
间接法:
arctan x = ∫ 0 x ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n t 2 n d t = ∑ n = 0 ∞ ∫ 0 x ( − 1 ) n t 2 n d t = ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n x 2 n + 1 2 n + 1 \begin{aligned}
\arctan x &= \int_0^x \sum_{n = 0}^\infty (-1)^n t^{2n} \mathrm{d}t = \sum_{n = 0}^\infty \int_0^x (-1)^n t^{2n} \mathrm{d}t\\
&= \sum_{n = 0}^\infty (-1)^n \frac{x^{2n + 1}}{2n + 1}
\end{aligned} arctan x = ∫ 0 x n = 0 ∑ ∞ ( − 1 ) n t 2 n d t = n = 0 ∑ ∞ ∫ 0 x ( − 1 ) n t 2 n d t = n = 0 ∑ ∞ ( − 1 ) n 2 n + 1 x 2 n + 1
(6)( 1 + x ) α = 1 + α x + α ( α − 1 ) 2 ! x 2 + ⋯ + α ( α − 1 ) ⋯ ( α − n + 1 ) n ! x n + ⋯ , ( ∣ x ∣ < 1 ) (1 + x)^\alpha = 1 + \alpha x + \dfrac{\alpha(\alpha - 1)}{2!}x^2 + \cdots + \dfrac{\alpha(\alpha - 1) \cdots (\alpha - n + 1)}{n!}x^n + \cdots, \quad (|x| < 1) ( 1 + x ) α = 1 + αx + 2 ! α ( α − 1 ) x 2 + ⋯ + n ! α ( α − 1 ) ⋯ ( α − n + 1 ) x n + ⋯ , ( ∣ x ∣ < 1 )
上式右端级数称为二项式级数 ,当 α \alpha α 是正整数时,就是通常的二项式公式。
幂级数的应用
1. 利用幂函数展开式进行近似计算:
例:计算 522 9 \sqrt[9]{522} 9 522 的近似值,要求精确到 1 0 − 4 10^{-4} 1 0 − 4 .
解:因为
522 9 = 2 ( 1 + 10 2 9 ) 1 9 \sqrt[9]{522} = 2\left( 1 + \frac{10}{2^9} \right)^{\frac{1}{9}}
9 522 = 2 ( 1 + 2 9 10 ) 9 1
所以在二项式级数中取 α = 1 9 , x = 10 2 9 \alpha = \dfrac{1}{9}, x = \dfrac{10}{2^9} α = 9 1 , x = 2 9 10 ,则有
2 ( 1 + 10 2 9 ) 1 9 = 2 [ 1 + 1 9 ⋅ 10 2 9 + 1 9 ( 1 9 − 1 ) 2 ! ⋅ 1 0 2 2 18 + ⋯ ] 2\left( 1 + \frac{10}{2^9} \right)^{\frac{1}{9}} = 2\left[ 1 + \frac{1}{9} \cdot \frac{10}{2^9} + \frac{\frac{1}{9}\left( \frac{1}{9} - 1 \right)}{2!} \cdot \frac{10^2}{2^{18}} + \cdots \right]
2 ( 1 + 2 9 10 ) 9 1 = 2 [ 1 + 9 1 ⋅ 2 9 10 + 2 ! 9 1 ( 9 1 − 1 ) ⋅ 2 18 1 0 2 + ⋯ ]
由于
1 9 ⋅ 8 9 2 ! ⋅ 1 0 2 2 18 = 0.000019 < 1 0 − 4 \frac{\frac{1}{9} \cdot \frac{8}{9}}{2!} \cdot \frac{10^2}{2^{18}} = 0.000019 < 10^{-4}
2 ! 9 1 ⋅ 9 8 ⋅ 2 18 1 0 2 = 0.000019 < 1 0 − 4
而上述级数为交错级数 ∑ ( − 1 ) n − 1 u n \sum (-1)^{n - 1}u_n ∑ ( − 1 ) n − 1 u n ,故有估计式
∣ S − S n ∣ ≤ u n + 1 |S - S_n| \leq u_{n + 1}
∣ S − S n ∣ ≤ u n + 1
由此可知,取级数的前两项和作为近似值即可达到要求,所以
522 9 ≈ 2 ( 1 + 0.00217 ) ≈ 2.0043 \sqrt[9]{522} \approx 2(1 + 0.00217) \approx 2.0043
9 522 ≈ 2 ( 1 + 0.00217 ) ≈ 2.0043
2. 欧拉公式的形式推导: 在 e x \mathrm{e}^x e x 的展开式中将 x x x 换成 i x \mathrm{i}x i x ,可得
e i x = 1 + i x + ( i x ) 2 2 ! + ( i x ) 3 3 ! + ( i x ) 4 4 ! + ( i x ) 5 5 ! + ⋯ = 1 + i x − x 2 2 ! − i x 3 3 ! + x 4 4 ! + i x 5 5 ! + ⋯ = ( 1 − x 2 2 ! + x 4 4 ! − x 6 6 ! + ⋯ ) + i ( x − x 3 3 ! + x 5 5 ! − x 7 7 ! + ⋯ ) = cos x + i sin x \begin{aligned}
\mathrm{e}^{\mathrm{i}x} &= 1 + \mathrm{i}x + \frac{(\mathrm{i}x)^2}{2!} + \frac{(\mathrm{i}x)^3}{3!} + \frac{(\mathrm{i}x)^4}{4!} + \frac{(\mathrm{i}x)^5}{5!} + \cdots\\
&= 1 + \mathrm{i}x - \frac{x^2}{2!} - \frac{\mathrm{i}x^3}{3!} + \frac{x^4}{4!} + \frac{\mathrm{i}x^5}{5!} + \cdots\\
&= \left( 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \frac{x^6}{6!} + \cdots \right) + \mathrm{i}\left( x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \frac{x^7}{7!} + \cdots \right)\\
&= \cos x + \mathrm{i}\sin x
\end{aligned} e i x = 1 + i x + 2 ! ( i x ) 2 + 3 ! ( i x ) 3 + 4 ! ( i x ) 4 + 5 ! ( i x ) 5 + ⋯ = 1 + i x − 2 ! x 2 − 3 ! i x 3 + 4 ! x 4 + 5 ! i x 5 + ⋯ = ( 1 − 2 ! x 2 + 4 ! x 4 − 6 ! x 6 + ⋯ ) + i ( x − 3 ! x 3 + 5 ! x 5 − 7 ! x 7 + ⋯ ) = cos x + i sin x
同理可得
e − i x = cos x − i sin x \mathrm{e}^{-\mathrm{i}x} = \cos x - \mathrm{i}\sin x
e − i x = cos x − i sin x
将此二式相加,可得
cos x = 1 2 ( e i x + e − i x ) \cos x = \frac{1}{2}\left( \mathrm{e}^{\mathrm{i}x} + \mathrm{e}^{-\mathrm{i}x} \right)
cos x = 2 1 ( e i x + e − i x )
同理可得
sin x = 1 2 i ( e i x − e − i x ) \sin x = \frac{1}{2\mathrm{i}}\left( \mathrm{e}^{\mathrm{i}x} - \mathrm{e}^{-\mathrm{i}x} \right)
sin x = 2 i 1 ( e i x − e − i x )
3. 求解积分方程: 许多积分方程的解都可以表示成级数的形式,对于形如
y ( x ) = λ ∫ a x k ( x , t ) y ( t ) d t + f ( x ) y(x) = \lambda \int_a^x k(x, t)y(t)\mathrm{d}t + f(x)
y ( x ) = λ ∫ a x k ( x , t ) y ( t ) d t + f ( x )
的积分方程,其中 λ \lambda λ 为已知参数,f ( x ) f(x) f ( x ) 为 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上的连续函数,k ( x , t ) k(x, t) k ( x , t ) 为 [ a , b ] 2 [a, b]^2 [ a , b ] 2 上的连续函数,y ( x ) y(x) y ( x ) 为未知函数。可以证明其解为
y ∗ ( x ) = f ( x ) + ∑ n = 1 ∞ λ n Φ n ( x ) y^*(x) = f(x) + \sum_{n = 1}^\infty \lambda^n\varPhi_n(x)
y ∗ ( x ) = f ( x ) + n = 1 ∑ ∞ λ n Φ n ( x )
其中 Φ 0 ( x ) = f ( x ) , Φ n ( x ) = ∫ a x k ( x , t ) Φ n − 1 ( t ) d t , n = 1 , 2 , ⋯ \displaystyle\varPhi_0(x) = f(x), \varPhi_n(x) = \int_a^x k(x, t)\varPhi_{n - 1}(t)\mathrm{d}t, n = 1, 2, \cdots Φ 0 ( x ) = f ( x ) , Φ n ( x ) = ∫ a x k ( x , t ) Φ n − 1 ( t ) d t , n = 1 , 2 , ⋯ .
傅里叶级数
三角函数系的正交性与三角级数
三角函数系中每个函数的周期都是 2 π 2\pi 2 π ,我们通常选取 [ − π , π ] [-\pi, \pi] [ − π , π ] ,并在该区间上讨论三角函数。对任意正整数 m , n ( m ≠ n ) m, n\ (m \neq n) m , n ( m = n ) ,有
∫ − π π cos n x d x = ∫ − π π sin n x d x = 0 ∫ − π π cos m x ⋅ cos n x d x = 1 2 ∫ − π π [ cos ( m + n ) x + cos ( m − n ) x ] d x = 0 ∫ − π π sin m x ⋅ sin n x d x = − 1 2 ∫ − π π [ cos ( m + n ) x − cos ( m − n ) x ] d x = 0 ∫ − π π sin m x ⋅ cos n x d x = 0 \begin{aligned}
\int_{-\pi}^\pi \cos{n}x\mathrm{d}x &= \int_{-\pi}^\pi \sin{n}x\mathrm{d}x = 0\\
\int_{-\pi}^\pi \cos{m}x \cdot \cos{n}x\mathrm{d}x &= \frac{1}{2}\int_{-\pi}^{\pi} [\cos(m + n)x + \cos(m - n)x]\mathrm{d}x\\
&= 0\\
\int_{-\pi}^\pi \sin{m}x \cdot \sin{n}x\mathrm{d}x &= -\frac{1}{2}\int_{-\pi}^{\pi} [\cos(m + n)x - \cos(m - n)x]\mathrm{d}x\\
&= 0\\
\int_{-\pi}^\pi \sin{m}x \cdot \cos{n}x\mathrm{d}x &= 0\\
\end{aligned} ∫ − π π cos n x d x ∫ − π π cos m x ⋅ cos n x d x ∫ − π π sin m x ⋅ sin n x d x ∫ − π π sin m x ⋅ cos n x d x = ∫ − π π sin n x d x = 0 = 2 1 ∫ − π π [ cos ( m + n ) x + cos ( m − n ) x ] d x = 0 = − 2 1 ∫ − π π [ cos ( m + n ) x − cos ( m − n ) x ] d x = 0 = 0
由此可见,三较函数系中任意两个相异函数的乘积在区间 [ − π , π ] [-\pi, \pi] [ − π , π ] 上的积分为零,这个性质称为三角函数系在区间 [ − π , π ] [-\pi, \pi] [ − π , π ] 上的正交性 。
三角函数的积分等式:
∫ − π π d x = 2 π ∫ − π π cos 2 n x d x = ∫ − π π 1 + cos 2 n x 2 d x = π ∫ − π π sin 2 n x d x = ∫ − π π 1 − cos 2 n x 2 d x = π \begin{aligned}
\int_{-\pi}^\pi \mathrm{d}x &= 2\pi\\
\int_{-\pi}^\pi \cos^2{nx}\mathrm{d}x &= \int_{-\pi}^\pi \frac{1 + \cos{2nx}}{2}\mathrm{d}x = \pi\\
\int_{-\pi}^\pi \sin^2{nx}\mathrm{d}x &= \int_{-\pi}^\pi \frac{1 - \cos{2nx}}{2}\mathrm{d}x = \pi
\end{aligned} ∫ − π π d x ∫ − π π cos 2 n x d x ∫ − π π sin 2 n x d x = 2 π = ∫ − π π 2 1 + cos 2 n x d x = π = ∫ − π π 2 1 − cos 2 n x d x = π
三角级数: 形如
a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ ( a n cos n x + b n sin n x ) \frac{a_0}{2} + \sum_{n = 1}^\infty(a_n \cos{nx} + b_n \sin{nx})
2 a 0 + n = 1 ∑ ∞ ( a n cos n x + b n sin n x )
的函数项级数称为三角级数。
以 2π 为周期的函数展开成傅里叶级数
定理: 假设以 2 π 2\pi 2 π 为周期的可积函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 能展开成三角级数,且
f ( x ) = a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ ( a n cos n x + b n sin n x ) f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n = 1}^\infty(a_n \cos{nx} + b_n \sin{nx})
f ( x ) = 2 a 0 + n = 1 ∑ ∞ ( a n cos n x + b n sin n x )
的右端级数可以逐项积分,则三角级数中的系数和 f ( x ) f(x) f ( x ) 必然满足如下关系:
{ a k = 1 π ∫ − π π f ( x ) cos k x d x , k = 0 , 1 , 2 , ⋯ b k = 1 π ∫ − π π f ( x ) sin k x d x , k = 1 , 2 , ⋯ \begin{cases}
\displaystyle a_k = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\cos{kx}\mathrm{d}x, & k = 0, 1, 2, \cdots\\
\displaystyle b_k = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\sin{kx}\mathrm{d}x, & k = 1, 2, \cdots
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ a k = π 1 ∫ − π π f ( x ) cos k x d x , b k = π 1 ∫ − π π f ( x ) sin k x d x , k = 0 , 1 , 2 , ⋯ k = 1 , 2 , ⋯
按上式计算出的系数 a k , b k a_k, b_k a k , b k 称为函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 的傅里叶系数 ,以该系数作成的三角级数称为 f ( x ) f(x) f ( x ) 的傅里叶级数 ,记作:
f ( x ) ∼ a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ ( a n cos n x + b n sin n x ) f(x) \sim \frac{a_0}{2} + \sum_{n = 1}^\infty(a_n \cos{nx} + b_n \sin{nx})
f ( x ) ∼ 2 a 0 + n = 1 ∑ ∞ ( a n cos n x + b n sin n x )
证明:对原式两端逐项积分,可得
∫ − π π f ( x ) d x = a 0 2 ∫ − π π d x + ∑ n = 1 ∞ ( a n ∫ − π π cos n x d x + b n ∫ − π π sin n x d x ) = a 0 π \int_{-\pi}^\pi f(x)\mathrm{d}x = \frac{a_0}{2}\int_{-\pi}^\pi \mathrm{d}x + \sum_{n = 1}^\infty \left( a_n\int_{-\pi}^\pi\cos{nx}\mathrm{d}x + b_n\int_{-\pi}^\pi\sin{nx}\mathrm{d}x \right) = a_0\pi
∫ − π π f ( x ) d x = 2 a 0 ∫ − π π d x + n = 1 ∑ ∞ ( a n ∫ − π π cos n x d x + b n ∫ − π π sin n x d x ) = a 0 π
从而
a 0 = 1 π ∫ − π π f ( x ) d x a_0 =\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\mathrm{d}x
a 0 = π 1 ∫ − π π f ( x ) d x
若在两端同时乘上 cos k x \cos{kx} cos k x ,再进行逐项积分,由三角函数系的正交性可得
∫ − π π f ( x ) cos k x d x = a 0 2 ∫ − π π cos k x d x + ∑ n = 1 ∞ ( a n ∫ − π π cos k x ⋅ cos n x d x + b n ∫ − π π cos k x ⋅ sin n x d x ) = a k ∫ − π π cos 2 k x d x = a k π \begin{aligned}
& \int_{-\pi}^\pi f(x)\cos{kx}\mathrm{d}x\\
= & \frac{a_0}{2} \int_{-\pi}^\pi \cos{kx}\mathrm{d}x + \sum_{n = 1}^\infty\left( a_n\int_{-\pi}^\pi \cos{kx} \cdot \cos{nx}\mathrm{d}x + b_n\int_{-\pi}^\pi \cos{kx} \cdot \sin{nx}\mathrm{d}x \right)\\
= & a_k \int_{-\pi}^\pi \cos^2{kx}\mathrm{d}x = a_k \pi
\end{aligned} = = ∫ − π π f ( x ) cos k x d x 2 a 0 ∫ − π π cos k x d x + n = 1 ∑ ∞ ( a n ∫ − π π cos k x ⋅ cos n x d x + b n ∫ − π π cos k x ⋅ sin n x d x ) a k ∫ − π π cos 2 k x d x = a k π
从而有
a k = 1 π ∫ − π π f ( x ) cos k x d x a_k = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\cos{kx}\mathrm{d}x
a k = π 1 ∫ − π π f ( x ) cos k x d x
同理可得
b k = 1 π ∫ − π π f ( x ) sin k x d x b_k = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\sin{kx}\mathrm{d}x
b k = π 1 ∫ − π π f ( x ) sin k x d x
例:设 f ( x ) = e x , x ∈ ( − π , π ) f(x) = \mathrm{e}^x, \ x \in (-\pi, \pi) f ( x ) = e x , x ∈ ( − π , π ) ,求其傅里叶级数。
解:
a 0 = 1 π ∫ − π π e x d x = 1 π ( e π − e − π ) a_0 = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi \mathrm{e}^x\mathrm{d}x = \frac{1}{\pi}(\mathrm{e}^\pi - \mathrm{e}^{-\pi})
a 0 = π 1 ∫ − π π e x d x = π 1 ( e π − e − π )
a n = 1 π ∫ − π π e x cos n x d x = 1 π ∫ − π π cos n x d e x = 1 π ( cos n x e x ∣ − π π + ∫ − π π n e x sin n x d x ) = 1 π ( cos n π e π − cos n π e − π + n ∫ − π π sin n x d e x ) = 1 π ( − 1 ) n ( e π − e − π ) − n 2 π ∫ − π π e x cos n x d x = ( − 1 ) n ( n 2 + 1 ) π ( e π − e − π ) \begin{aligned}
a_n &= \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi \mathrm{e}^x\cos{nx}\mathrm{d}x = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi \cos{nx}\mathrm{de}^x\\
&= \frac{1}{\pi}\left( \cos{nx}\mathrm{e}^x \bigg|_{-\pi}^\pi + \int_{-\pi}^\pi n\mathrm{e}^x\sin{nx}\mathrm{d}x \right)\\
&= \frac{1}{\pi}\left( \cos{n \pi \mathrm{e}^\pi} - \cos{n \pi \mathrm{e}^{-\pi}} + n\int_{-\pi}^\pi \sin{nx}\mathrm{de}^x \right)\\
&= \frac{1}{\pi}(-1)^n(\mathrm{e}^\pi - \mathrm{e}^{-\pi}) - \frac{n^2}{\pi}\int_{-\pi}^\pi \mathrm{e}^x \cos{nx}\mathrm{d}x\\
&= \frac{(-1)^n}{(n^2 + 1)\pi}(\mathrm{e}^\pi - \mathrm{e}^{-\pi})
\end{aligned} a n = π 1 ∫ − π π e x cos n x d x = π 1 ∫ − π π cos n x de x = π 1 ( cos n x e x − π π + ∫ − π π n e x sin n x d x ) = π 1 ( cos nπ e π − cos nπ e − π + n ∫ − π π sin n x de x ) = π 1 ( − 1 ) n ( e π − e − π ) − π n 2 ∫ − π π e x cos n x d x = ( n 2 + 1 ) π ( − 1 ) n ( e π − e − π )
b n = 1 π ∫ − π π e x sin n x d x = 1 π ∫ − π π sin n x d e x = 1 π ( e x sin n x ∣ − π π − ∫ − π π e x n cos n x d x ) = − n π ∫ − π π cos n x d e x = − n π ( e x cos n x ∣ − π π + ∫ − π π n e x sin n x d x ) = ( − 1 ) n + 1 n ( n 2 + 1 ) π ( e π − e − π ) \begin{aligned}
b_n &= \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi \mathrm{e}^x \sin{nx} \mathrm{d}x = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi \sin{nx} \mathrm{de}^x\\
&= \frac{1}{\pi} \left( \mathrm{e}^x \sin{nx} \bigg|_{-\pi}^\pi - \int_{-\pi}^\pi \mathrm{e}^x n\cos{nx} \mathrm{d}x \right) = -\frac{n}{\pi} \int_{-\pi}^\pi \cos{nx} \mathrm{de}^x\\
&= -\frac{n}{\pi} \left( \mathrm{e}^x \cos{nx}\bigg|_{-\pi}^\pi + \int_{-\pi}^\pi n\mathrm{e}^x \sin{nx} \mathrm{d}x \right)\\
&= \frac{(-1)^{n + 1}n}{(n^2 + 1)\pi}(\mathrm{e}^\pi - \mathrm{e}^{-\pi})
\end{aligned} b n = π 1 ∫ − π π e x sin n x d x = π 1 ∫ − π π sin n x de x = π 1 ( e x sin n x − π π − ∫ − π π e x n cos n x d x ) = − π n ∫ − π π cos n x de x = − π n ( e x cos n x − π π + ∫ − π π n e x sin n x d x ) = ( n 2 + 1 ) π ( − 1 ) n + 1 n ( e π − e − π )
综上所述,所求傅里叶级数为
e x ∼ e π − e − π π { 1 2 + ∑ n = 1 ∞ [ ( − 1 ) n n 2 + 1 cos n x + ( − 1 ) n + 1 n ( n 2 + 1 ) π sin n x ] } , − π < x < π \mathrm{e}^x \sim \frac{\mathrm{e}^\pi - \mathrm{e}^{-\pi}}{\pi} \left\{ \frac{1}{2} + \sum_{n = 1}^\infty \left[ \frac{(-1)^n}{n^2 + 1} \cos{nx} + \frac{(-1)^{n + 1}n}{(n^2 + 1)\pi} \sin{nx} \right] \right\}, \quad -\pi < x < \pi
e x ∼ π e π − e − π { 2 1 + n = 1 ∑ ∞ [ n 2 + 1 ( − 1 ) n cos n x + ( n 2 + 1 ) π ( − 1 ) n + 1 n sin n x ] } , − π < x < π
狄利克雷(Dirichlet)收敛定理: 若以 2 π 2\pi 2 π 为周期的函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 在 [ − π , π ] [-\pi, \pi] [ − π , π ] 上满足狄利克雷条件:
连续或只有有限个第一类间断点;
至多只有有限个极值点。
则 f ( x ) f(x) f ( x ) 的傅里叶级数收敛,并且
当 x x x 是 f ( x ) f(x) f ( x ) 的连续点时,级数收敛于 f ( x ) f(x) f ( x ) ;
当 x x x 是 f ( x ) f(x) f ( x ) 的间断点时,级数收敛于 1 2 [ f ( x − 0 ) + f ( x + 0 ) ] \dfrac{1}{2}[f(x - 0) + f(x + 0)] 2 1 [ f ( x − 0 ) + f ( x + 0 )] ;
当 x = ± π x = \pm\pi x = ± π 时,级数收敛于 1 2 [ f ( − π + 0 ) + f ( π − 0 ) ] \dfrac{1}{2}[f(-\pi + 0) + f(\pi - 0)] 2 1 [ f ( − π + 0 ) + f ( π − 0 )] .
傅里叶级数中的各项都以 2 π 2\pi 2 π 为周期,因此若它在 [ − π , π ] [-\pi, \pi] [ − π , π ] 上收敛,则它在任意 x x x 处都收敛。
在具体讨论函数的傅里叶级数时,常只给出函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 在 ( − π , π ] (-\pi, \pi] ( − π , π ] (或 [ − π , π ) [-\pi, \pi) [ − π , π ) )上的解析表达式,但应理解为它是定义在整个数轴上以 2 π 2\pi 2 π 为周期的函数,可在给出区间以外部分按对应关系作周期延拓 。
例:设
f ( x ) = { − 1 , − π < x ≤ 0 1 + x 2 , 0 < x < π f(x) = \begin{cases}
-1, & -\pi < x \leq 0 \\
1 + x^2, & 0 < x < \pi \\
\end{cases} f ( x ) = { − 1 , 1 + x 2 , − π < x ≤ 0 0 < x < π
则 f ( x ) f(x) f ( x ) 的以 2 π 2\pi 2 π 为周期的傅里叶级数在 x = π x = \pi x = π 处收敛于 π 2 2 \dfrac{\pi^2}{2} 2 π 2 .
函数展开成正弦级数或余弦级数
奇、偶函数的展开:
当 f ( x ) f(x) f ( x ) 为奇函数时,f ( x ) cos n x f(x)\cos{nx} f ( x ) cos n x 是奇函数,f ( x ) sin n x f(x)\sin{nx} f ( x ) sin n x 是偶函数,于是 f ( x ) f(x) f ( x ) 的傅里叶系数为
a n = 1 π ∫ − π π f ( x ) cos n x d x = 0 , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ b n = 1 π ∫ − π π f ( x ) sin n x d x = 2 π ∫ 0 π f ( x ) sin n x d x , n = 1 , 2 , ⋯ \begin{aligned}
a_n &= \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\cos{nx}\mathrm{d}x = 0, \quad n = 0, 1, 2, \cdots\\
b_n &= \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\sin{nx}\mathrm{d}x = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi f(x)\sin{nx}\mathrm{d}x, \quad n = 1, 2, \cdots
\end{aligned} a n b n = π 1 ∫ − π π f ( x ) cos n x d x = 0 , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ = π 1 ∫ − π π f ( x ) sin n x d x = π 2 ∫ 0 π f ( x ) sin n x d x , n = 1 , 2 , ⋯
此时奇函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 的傅里叶级数只含正弦项,称为正弦级数 ,即
f ( x ) ∼ ∑ n = 1 ∞ b n sin n x f(x) \sim \sum_{n = 1}^\infty b_n \sin{nx}
f ( x ) ∼ n = 1 ∑ ∞ b n sin n x
同样地,当 f ( x ) f(x) f ( x ) 为偶函数时,f ( x ) cos n x f(x)\cos{nx} f ( x ) cos n x 是偶函数,f ( x ) sin n x f(x)\sin{nx} f ( x ) sin n x 是奇函数,于是 f ( x ) f(x) f ( x ) 的傅里叶级数为
a n = 2 π ∫ 0 π f ( x ) cos n x d x , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ b n = 0 , n = 1 , 2 , ⋯ \begin{aligned}
a_n &= \frac{2}{\pi}\int_0^\pi f(x)\cos{nx}\mathrm{d}x, \quad n = 0, 1, 2, \cdots\\
b_n &= 0, \quad n = 1, 2, \cdots
\end{aligned} a n b n = π 2 ∫ 0 π f ( x ) cos n x d x , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ = 0 , n = 1 , 2 , ⋯
此时偶函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 的傅里叶级数只含常数项和余弦项,称为余弦级数 ,即
f ( x ) ∼ a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ a n cos n x f(x) \sim \frac{a_0}{2} + \sum_{n = 1}^\infty a_n \cos{nx}
f ( x ) ∼ 2 a 0 + n = 1 ∑ ∞ a n cos n x
函数展开成正弦级数或余弦级数:
设函数定义在闭区间 [ 0 , π ] [0, \pi] [ 0 , π ] 或 [ − π , 0 ] [-\pi, 0] [ − π , 0 ] 上,并且满足收敛定理的条件,若想将其展开成正弦级数或余弦级数,则需要在开区间 ( − π , 0 ) (-\pi, 0) ( − π , 0 ) 或 ( 0 , π ) (0, \pi) ( 0 , π ) 内补充定义,得到 ( − π , π ) (-\pi, \pi) ( − π , π ) 上的奇函数(偶函数),按这种方法拓广函数定义域的过程称为奇延拓(偶延拓) 。
将延拓后的函数展开成傅里叶级数,则这个级数必定是正弦级数或余弦级数,这样便可以得到 f ( x ) f(x) f ( x ) 的正弦级数或余弦级数展开式 。
例:将函数 f ( x ) = x 2 ( 0 ≤ x ≤ π ) f(x) = x^2\ (0 \leq x \leq \pi) f ( x ) = x 2 ( 0 ≤ x ≤ π ) 分别展开成正弦级数和余弦级数。
解:先求正弦级数,对 f ( x ) f(x) f ( x ) 进行奇延拓,如下图所示:
则根据奇函数的展开公式,可得
a n = 0 , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ b n = 2 π ∫ 0 π f ( x ) sin n x d x = 2 π ∫ 0 π x 2 sin n x d x = 2 π [ − 1 n x 2 cos n x ∣ 0 π + 2 π ∫ 0 π x cos n x d x ] = 2 π [ ( − 1 ) n + 1 π 2 n + 2 n 2 x sin n x ∣ 0 π − 2 n 2 ∫ 0 π sin n x d x ] = 2 π [ ( − 1 ) n + 1 π 2 n + 2 n 3 cos n x ∣ 0 π ] = 2 π [ ( − 1 ) n + 1 π 2 n + 2 n 3 ( ( − 1 ) n − 1 ) ] , n = 1 , 2 , ⋯ \begin{aligned}
a_n &= 0, \quad n = 0, 1, 2, \cdots\\
b_n &= \frac{2}{\pi} \int_0^\pi f(x) \sin{nx} \mathrm{d}x = \frac{2}{\pi} \int_0^\pi x^2 \sin{nx} \mathrm{d}x\\
&= \frac{2}{\pi} \left[ -\frac{1}{n} x^2 \cos{nx}\bigg|_0^\pi + \frac{2}{\pi} \int_0^\pi x\cos{nx} \mathrm{d}x \right]\\
&= \frac{2}{\pi} \left[ \frac{(-1)^{n + 1}\pi^2}{n} + \frac{2}{n^2} x\sin{nx}\bigg|_0^\pi - \frac{2}{n^2} \int_0^\pi \sin{nx}\mathrm{d}x \right]\\
&= \frac{2}{\pi} \left[ \frac{(-1)^{n + 1}\pi^2}{n} + \frac{2}{n^3} \cos{nx}\bigg|_0^\pi \right]\\
&= \frac{2}{\pi} \left[ \frac{(-1)^{n + 1}\pi^2}{n} + \frac{2}{n^3}((-1)^n - 1) \right], \quad n = 1, 2, \cdots
\end{aligned} a n b n = 0 , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ = π 2 ∫ 0 π f ( x ) sin n x d x = π 2 ∫ 0 π x 2 sin n x d x = π 2 [ − n 1 x 2 cos n x 0 π + π 2 ∫ 0 π x cos n x d x ] = π 2 [ n ( − 1 ) n + 1 π 2 + n 2 2 x sin n x 0 π − n 2 2 ∫ 0 π sin n x d x ] = π 2 [ n ( − 1 ) n + 1 π 2 + n 3 2 cos n x 0 π ] = π 2 [ n ( − 1 ) n + 1 π 2 + n 3 2 (( − 1 ) n − 1 ) ] , n = 1 , 2 , ⋯
所以
f ( x ) ∼ 2 π ∑ n = 1 ∞ [ ( − 1 ) n ( 2 n 3 − π 2 n ) − 2 n 3 ] sin n x , 0 ≤ x < π f(x) \sim \frac{2}{\pi} \sum_{n = 1}^\infty \left[ (-1)^n \left( \frac{2}{n^3} - \frac{\pi^2}{n} \right) - \frac{2}{n^3} \right] \sin{nx}, \quad 0 \leq x < \pi
f ( x ) ∼ π 2 n = 1 ∑ ∞ [ ( − 1 ) n ( n 3 2 − n π 2 ) − n 3 2 ] sin n x , 0 ≤ x < π
由狄利克雷收敛定理可得,当 x = π x = \pi x = π 时,级数收敛于 0 0 0 .
再求余弦级数,对 f ( x ) f(x) f ( x ) 进行偶延拓,如下图所示:
则根据偶函数的展开公式,可得
b n = 0 , n = 1 , 2 , 3 , ⋯ a 0 = 2 π ∫ 0 π x 2 d x = 2 3 π 2 a n = 2 π ∫ 0 π x 2 cos n x d x = 2 n π ∫ 0 π x 2 d sin n x = 2 n π ( x 2 sin n x ∣ 0 π − ∫ 0 π 2 x sin n x d x ) = 4 n 2 π ∫ 0 π x d cos n x = 4 n 2 π ( x cos n x ∣ 0 π − ∫ 0 π cos n x d x ) = 4 n 2 ( − 1 ) n , n = 1 , 2 , ⋯ \begin{aligned}
b_n &= 0, \quad n = 1, 2, 3, \cdots\\
a_0 &= \frac{2}{\pi} \int_0^\pi x^2 \mathrm{d}x = \frac{2}{3} \pi^2\\
a_n &= \frac{2}{\pi} \int_0^\pi x^2 \cos{nx}\mathrm{d}x = \frac{2}{n\pi} \int_0^\pi x^2 \mathrm{d}\sin{nx}\\
&= \frac{2}{n\pi} \left( x^2 \sin{nx}\bigg|_0^\pi - \int_0^\pi 2x\sin{nx} \mathrm{d}x \right)\\
&= \frac{4}{n^2 \pi} \int_0^\pi x \mathrm{d}\cos{nx}\\
&= \frac{4}{n^2 \pi} \left( x\cos{nx}\bigg|_0^\pi - \int_0^\pi \cos{nx} \mathrm{d}x \right)\\
&= \frac{4}{n^2} (-1)^n, \quad n = 1, 2, \cdots
\end{aligned} b n a 0 a n = 0 , n = 1 , 2 , 3 , ⋯ = π 2 ∫ 0 π x 2 d x = 3 2 π 2 = π 2 ∫ 0 π x 2 cos n x d x = nπ 2 ∫ 0 π x 2 d sin n x = nπ 2 ( x 2 sin n x 0 π − ∫ 0 π 2 x sin n x d x ) = n 2 π 4 ∫ 0 π x d cos n x = n 2 π 4 ( x cos n x 0 π − ∫ 0 π cos n x d x ) = n 2 4 ( − 1 ) n , n = 1 , 2 , ⋯
所以
f ( x ) ∼ π 2 3 + 4 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n n 2 cos n x , 0 ≤ x < π f(x) \sim \frac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n = 1}^\infty \frac{(-1)^n}{n^2} \cos{nx}, \quad 0 \leq x < \pi
f ( x ) ∼ 3 π 2 + 4 n = 1 ∑ ∞ n 2 ( − 1 ) n cos n x , 0 ≤ x < π
由狄利克雷收敛定理可得,当 x = π x = \pi x = π 时,级数收敛于 f ( π ) f(\pi) f ( π ) ,故
f ( x ) ∼ π 2 3 + 4 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n n 2 cos n x , 0 ≤ x ≤ π f(x) \sim \frac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n = 1}^\infty \frac{(-1)^n}{n^2} \cos{nx}, \quad 0 \leq x \leq \pi
f ( x ) ∼ 3 π 2 + 4 n = 1 ∑ ∞ n 2 ( − 1 ) n cos n x , 0 ≤ x ≤ π
以 2l 为周期的函数展开成傅里叶级数
设 f ( x ) f(x) f ( x ) 是以 2 l 2l 2 l 为周期的函数,则通过变量代换 x = l t π x = \dfrac{lt}{\pi} x = π lt 可以将 f ( x ) f(x) f ( x ) 转换为以 2 π 2\pi 2 π 为周期的函数 F ( t ) F(t) F ( t ) . 显然对任意 t t t ,有
F ( t + 2 π ) = f [ l ( t + 2 π ) π ] = f ( l t π + 2 l ) = f ( l t π ) F(t + 2\pi) = f\left[ \frac{l(t + 2\pi)}{\pi} \right] = f\left( \frac{lt}{\pi} + 2l \right) = f\left( \frac{lt}{\pi} \right)
F ( t + 2 π ) = f [ π l ( t + 2 π ) ] = f ( π lt + 2 l ) = f ( π lt )
若 f ( x ) f(x) f ( x ) 在 [ − l , l ] [-l, l] [ − l , l ] 上可积,则 F ( t ) F(t) F ( t ) 在 [ − π , π ] [-\pi, \pi] [ − π , π ] 上也可积,此时 F ( t ) F(t) F ( t ) 的傅里叶级数为
F ( t ) ∼ a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ ( a n cos n t + b n sin n t ) F(t) \sim \frac{a_0}{2} + \sum_{n = 1}^\infty (a_n \cos{nt} + b_n \sin{nt})
F ( t ) ∼ 2 a 0 + n = 1 ∑ ∞ ( a n cos n t + b n sin n t )
其中
{ a n = 1 l ∫ − π π F ( t ) cos n t d t , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ b n = 1 l ∫ − l l F ( t ) sin n t d t , n = 1 , 2 , ⋯ \begin{cases}
\displaystyle a_n = \frac{1}{l} \int_{-\pi}^\pi F(t) \cos{nt} \mathrm{d}t, & n = 0, 1, 2, \cdots \\
\displaystyle b_n = \frac{1}{l} \int_{-l}^l F(t) \sin{nt} \mathrm{d}t, & n = 1, 2, \cdots \\
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ a n = l 1 ∫ − π π F ( t ) cos n t d t , b n = l 1 ∫ − l l F ( t ) sin n t d t , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ n = 1 , 2 , ⋯
作代换 t = π x l t = \dfrac{\pi x}{l} t = l π x ,则有
f ( x ) ∼ a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ ( a n cos n π x l + b n sin n π x l ) { a n = 1 π ∫ − l l f ( x ) cos n π x l d x , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ b n = 1 π ∫ − π π f ( x ) sin n π x l d x , n = 1 , 2 , ⋯ f(x) \sim \frac{a_0}{2} + \sum_{n = 1}^\infty \left( a_n \cos\frac{n \pi x}{l} + b_n \sin\frac{n \pi x}{l} \right)\\
\begin{cases}
\displaystyle a_n = \frac{1}{\pi} \int_{-l}^l f(x) \cos\frac{n \pi x}{l} \mathrm{d}x, & n = 0, 1, 2, \cdots \\
\displaystyle b_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi f(x) \sin\frac{n \pi x}{l} \mathrm{d}x, & n = 1, 2, \cdots \\
\end{cases} f ( x ) ∼ 2 a 0 + n = 1 ∑ ∞ ( a n cos l nπ x + b n sin l nπ x ) ⎩ ⎨ ⎧ a n = π 1 ∫ − l l f ( x ) cos l nπ x d x , b n = π 1 ∫ − π π f ( x ) sin l nπ x d x , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ n = 1 , 2 , ⋯
称为以 2 l \bm{2l} 2 l 为周期 的函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 的傅里叶系数公式 。
如果要对以 2 l 2l 2 l 为周期的函数应用狄利克雷收敛定理,只需要将狄利克雷条件中的 [ − π , π ] [-\pi, \pi] [ − π , π ] 换成 [ − l , l ] [-l, l] [ − l , l ] 即可。
将以 2 l 2l 2 l 为周期的奇函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 展开成正弦级数:
b n = 1 l ∫ − l l f ( x ) sin n π x l d x = 2 l ∫ 0 l f ( x ) sin n π x l d x , n = 1 , 2 , ⋯ f ( x ) ∼ ∑ n = 1 ∞ b n sin n π x l \begin{aligned}
b_n &= \frac{1}{l}\int_{-l}^l f(x)\sin\frac{n \pi x}{l}\mathrm{d}x\\
&= \frac{2}{l}\int_0^l f(x)\sin\frac{n \pi x}{l}\mathrm{d}x, \quad n = 1, 2, \cdots
\end{aligned}\\
f(x) \sim \sum_{n = 1}^\infty b_n \sin\frac{n \pi x}{l} b n = l 1 ∫ − l l f ( x ) sin l nπ x d x = l 2 ∫ 0 l f ( x ) sin l nπ x d x , n = 1 , 2 , ⋯ f ( x ) ∼ n = 1 ∑ ∞ b n sin l nπ x
将以 2 l 2l 2 l 为周期的偶函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 展开成余弦级数:
a n = 1 l ∫ − l l f ( x ) cos n π x l d x = 2 l ∫ 0 l f ( x ) cos n π x l d x , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ f ( x ) ∼ a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ a n cos n π x l \begin{aligned}
a_n &= \frac{1}{l}\int_{-l}^l f(x)\cos\frac{n \pi x}{l}\mathrm{d}x\\
&= \frac{2}{l}\int_0^l f(x)\cos\frac{n \pi x}{l}\mathrm{d}x, \quad n = 0, 1, 2, \cdots
\end{aligned}\\
f(x) \sim \frac{a_0}{2} + \sum_{n = 1}^\infty a_n \cos\frac{n \pi x}{l} a n = l 1 ∫ − l l f ( x ) cos l nπ x d x = l 2 ∫ 0 l f ( x ) cos l nπ x d x , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ f ( x ) ∼ 2 a 0 + n = 1 ∑ ∞ a n cos l nπ x
若想要将以 2 l 2l 2 l 为周期的函数展开成正弦级数或余弦级数的形式,也需要通过奇延拓或偶延拓的方式补充定义,再求延拓后函数的傅里叶级数。
傅里叶级数的复数形式
由欧拉公式
cos n π x l = 1 2 ( e i n π x l + e − i n π x l ) , sin n π x l = 1 2 i ( e i n π x l − e − i n π x l ) \cos\frac{n \pi x}{l} = \frac{1}{2}(\mathrm{e}^{\mathrm{i}\frac{n \pi x}{l}} + \mathrm{e}^{-\mathrm{i}\frac{n \pi x}{l}}), \quad \sin\frac{n \pi x}{l} = \frac{1}{2\mathrm{i}}(\mathrm{e}^{\mathrm{i}\frac{n \pi x}{l}} - \mathrm{e}^{-\mathrm{i}\frac{n \pi x}{l}})
cos l nπ x = 2 1 ( e i l nπ x + e − i l nπ x ) , sin l nπ x = 2 i 1 ( e i l nπ x − e − i l nπ x )
可得周期为 2 l 2l 2 l 的函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 的傅里叶级数可以写成
f ( x ) ∼ a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ [ a n 2 ( e i n π x l + e − i n π x l ) + b n 2 i ( e i n π x l − e − i n π x l ) ] = a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ ( a n − i b n 2 e i n π x l + a n + i b n 2 e − i n π x l ) \begin{aligned}
f(x) &\sim \frac{a_0}{2} + \sum_{n = 1}^\infty \left[ \frac{a_n}{2}(\mathrm{e}^{\mathrm{i}\frac{n \pi x}{l}} + \mathrm{e}^{-\mathrm{i}\frac{n \pi x}{l}}) + \frac{b_n}{2\mathrm{i}}(\mathrm{e}^{\mathrm{i}\frac{n \pi x}{l}} - \mathrm{e}^{-\mathrm{i}\frac{n \pi x}{l}}) \right]\\
&= \frac{a_0}{2} + \sum_{n = 1}^\infty \left( \frac{a_n - \mathrm{i}b_n}{2}\mathrm{e}^{\mathrm{i}\frac{n \pi x}{l}} + \frac{a_n + \mathrm{i}b_n}{2}\mathrm{e}^{-\mathrm{i}\frac{n \pi x}{l}} \right)
\end{aligned} f ( x ) ∼ 2 a 0 + n = 1 ∑ ∞ [ 2 a n ( e i l nπ x + e − i l nπ x ) + 2 i b n ( e i l nπ x − e − i l nπ x ) ] = 2 a 0 + n = 1 ∑ ∞ ( 2 a n − i b n e i l nπ x + 2 a n + i b n e − i l nπ x )
若记
w = π l , c 0 = a 0 2 , c n = a n − i b n 2 , c − n = a n + i b n 2 , n = 1 , 2 , ⋯ w = \frac{\pi}{l}, c_0 = \frac{a_0}{2}, c_n = \frac{a_n - \mathrm{i}b_n}{2}, c_{-n} = \frac{a_n + \mathrm{i}b_n}{2}, \ n = 1, 2, \cdots
w = l π , c 0 = 2 a 0 , c n = 2 a n − i b n , c − n = 2 a n + i b n , n = 1 , 2 , ⋯
则 f ( x ) f(x) f ( x ) 的傅里叶级数的复数形式为
f ( x ) = c 0 + ∑ n = 1 ∞ c n e i n ω x + ∑ n = 1 ∞ c − n e − i n ω x = ∑ n = − ∞ ∞ c n e i n ω x f(x) = c_0 + \sum_{n = 1}^\infty c_n \mathrm{e}^{\mathrm{i} n \omega x} + \sum_{n = 1}^\infty c_{-n} \mathrm{e}^{-\mathrm{i} n \omega x} = \sum_{n = -\infty}^\infty c_n \mathrm{e}^{\mathrm{i} n \omega x}
f ( x ) = c 0 + n = 1 ∑ ∞ c n e i nω x + n = 1 ∑ ∞ c − n e − i nω x = n = − ∞ ∑ ∞ c n e i nω x
傅里叶系数的复数形式为
c n = 1 2 l ∫ − l l f ( x ) e − i n ω x d x n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯ c_n = \frac{1}{2l} \int_{-l}^l f(x) \mathrm{e}^{-\mathrm{i} n \omega x} \mathrm{d}x \quad n = 0, \pm 1, \pm 2, \cdots
c n = 2 l 1 ∫ − l l f ( x ) e − i nω x d x n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯
以 2 π 2\pi 2 π 为周期的函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 的傅里叶级数可以写成
f ( x ) = ∑ n = − ∞ ∞ c n e i n x f(x) = \sum_{n = -\infty}^\infty c_n \mathrm{e}^{\mathrm{i} nx}
f ( x ) = n = − ∞ ∑ ∞ c n e i n x
傅里叶系数的复数形式为
c n = 1 2 π ∫ − π π f ( x ) e − i n x d x n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯ c_n = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi f(x) \mathrm{e}^{-\mathrm{i} nx} \mathrm{d}x \quad n = 0, \pm 1, \pm 2, \cdots
c n = 2 π 1 ∫ − π π f ( x ) e − i n x d x n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯
常微分方程
常微分方程的基本概念
含有自变量、未知函数及某些导数(或微分)的方程称为微分方程 ,未知函数是一元函数的微分方程称为常微分方程 ,未知函数是多元函数的微分方程称为偏微分方程 。一个微分方程中出现的未知函数导数的最阶数称为此微分方程的阶 ,一般地,n n n 阶常微分方程可以表示为如下隐方程和显方程:
F ( x , y , y ′ , ⋯ , y ( n ) ) = 0 y ( n ) = f ( x , y , y ′ , ⋯ , y ( n − 1 ) ) F(x, y, y', \cdots, y^{(n)}) = 0\\
y^{(n)} = f(x, y, y', \cdots, y^{(n - 1)}) F ( x , y , y ′ , ⋯ , y ( n ) ) = 0 y ( n ) = f ( x , y , y ′ , ⋯ , y ( n − 1 ) )
如果一个常微分方程关于未知函数及其导数都是线性的,则称之为线性微分方程 ,否则称为非线性微分方程 。
常微分方程的解: 设函数 y = y ( x ) y = y(x) y = y ( x ) 在区间 I I I 上有定义,且存在 n n n 阶导数,如果将 y = y ( x ) y = y(x) y = y ( x ) 及其各阶导数代入常微分方程后能使其成为区间 I I I 上的恒等式,即
F [ x , y ( x ) , y ′ ( x ) , ⋯ , y ( n ) ( x ) ] ≡ 0 F[x, y(x), y'(x), \cdots, y^{(n)}(x)] \equiv 0
F [ x , y ( x ) , y ′ ( x ) , ⋯ , y ( n ) ( x )] ≡ 0
或
y ( n ) ( x ) ≡ f [ x , y ( x ) , y ′ ( x ) , ⋯ , y ( n − 1 ) ( x ) ] y^{(n)}(x) \equiv f[x, y(x), y'(x), \cdots, y^{(n - 1)}(x)]
y ( n ) ( x ) ≡ f [ x , y ( x ) , y ′ ( x ) , ⋯ , y ( n − 1 ) ( x )]
则称函数 y = y ( x ) y = y(x) y = y ( x ) 为常微分方程在区间 I I I 上的一个解。微分方程解的图形称为积分曲线 。
如果 n n n 阶常微分方程的解 y = φ ( x , C 1 , C 2 , ⋯ , C n ) y = \varphi(x, C_1, C_2, \cdots, C_n) y = φ ( x , C 1 , C 2 , ⋯ , C n ) 中含有 n n n 个互相独立的任意常数 C 1 , C 2 , ⋯ , C n C_1, C_2, \cdots, C_n C 1 , C 2 , ⋯ , C n ,则称其为方程的通解 ;如果由含 n n n 个相互独立的任意常数 C 1 , C 2 , ⋯ , C n C_1, C_2, \cdots, C_n C 1 , C 2 , ⋯ , C n 的方程 Φ ( x , y , C 1 , C 2 , ⋯ , C n ) = 0 \varPhi(x, y, C_1, C_2, \cdots, C_n) = 0 Φ ( x , y , C 1 , C 2 , ⋯ , C n ) = 0 确定的函数 y = y ( x , C 1 , C 2 , ⋯ , C n ) y = y(x, C_1, C_2, \cdots, C_n) y = y ( x , C 1 , C 2 , ⋯ , C n ) 是 n n n 阶常微分方程的解,则称此函数为方程的隐式通解 。通解中的任意常数确定后,所得到的确定的解称为微分方程的特解 。
为了确定通解中的任意常数,需要给出微分方程所满足的定解条件,常见的定解条件是初始条件 。一般地,n n n 阶微分方程的初始条件是
y ( x 0 ) = y 0 , y ′ ( x 0 ) = y 1 , ⋯ , y ( n − 1 ) ( x 0 ) = y n − 1 y(x_0) = y_0, y'(x_0) = y_1, \cdots, y^{(n - 1)}(x_0) = y_{n - 1}
y ( x 0 ) = y 0 , y ′ ( x 0 ) = y 1 , ⋯ , y ( n − 1 ) ( x 0 ) = y n − 1
其中 x 0 , y 0 , y 1 , ⋯ , y n − 1 x_0, y_0, y_1, \cdots, y_{n - 1} x 0 , y 0 , y 1 , ⋯ , y n − 1 都是给定的值。
求微分满足初始条件的特解的问题称为初值问题 或柯西问题 。
可分离变量的微分方程
形如
d y d x = f ( x ) g ( y ) \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = f(x)g(y)
d x d y = f ( x ) g ( y )
的方程称为可分离变量方程 ,其中 f ( x ) , g ( y ) f(x), g(y) f ( x ) , g ( y ) 分别是 x , y x, y x , y 的连续函数。
求解过程: 当 g ( y ) ≠ 0 g(y) \neq 0 g ( y ) = 0 时,可以将方程改写为变量分离的形式
d y g ( y ) = f ( x ) d x \frac{\mathrm{d}y}{g(y)} = f(x) \mathrm{d}x
g ( y ) d y = f ( x ) d x
两端分别对 y y y 和 x x x 积分可得
∫ d y g ( y ) = ∫ f ( x ) d x \int \frac{\mathrm{d}y}{g(y)} = \int f(x) \mathrm{d}x
∫ g ( y ) d y = ∫ f ( x ) d x
该式即为方程的隐式通解。
若存在 y 0 y_0 y 0 使得 g ( y 0 ) = 0 g(y_0) = 0 g ( y 0 ) = 0 ,易知 y = y 0 y = y_0 y = y 0 为方程的一个解,于是方程除了有上述通解以外,还可能存在一些常数解。
例:求常微分方程 d y d x = y x \dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{y}{x} d x d y = x y 的通解。
解:当 y ≠ 0 y \neq 0 y = 0 时,分离变量可得
d y y = d x x \frac{\mathrm{d}y}{y} = \frac{\mathrm{d}x}{x}
y d y = x d x
两端积分得
ln ∣ y ∣ = ln ∣ x ∣ + C 1 \ln|y| = \ln|x| + C_1
ln ∣ y ∣ = ln ∣ x ∣ + C 1
从而 ∣ y ∣ = e C 1 ∣ x ∣ |y| = \mathrm{e}^{C_1}|x| ∣ y ∣ = e C 1 ∣ x ∣ ,令 C = ± e C 1 ≠ 0 C = \pm \mathrm{e}^{C_1} \neq 0 C = ± e C 1 = 0 ,则 y = C x y = Cx y = C x .
注意到 y = 0 y = 0 y = 0 也是方程的解。令 C C C 为任意常数,则可得所给方程得通解为
y = C x y = Cx
y = C x
可分离变量方程也可以写成关于 x x x 和 y y y 的对称形式:
M 1 ( x ) M 2 ( y ) d x + N 1 ( x ) N 2 ( y ) d y = 0 M_1(x)M_2(y) \mathrm{d}x + N_1(x)N_2(y) \mathrm{d}y = 0
M 1 ( x ) M 2 ( y ) d x + N 1 ( x ) N 2 ( y ) d y = 0
当 M 2 ( y ) N 1 ( x ) ≠ 0 M_2(y)N_1(x) \neq 0 M 2 ( y ) N 1 ( x ) = 0 时,两端同时除以 M 2 ( y ) N 1 ( x ) M_2(y)N_1(x) M 2 ( y ) N 1 ( x ) ,可得
M 1 ( x ) N 1 ( x ) d x + N 2 ( y ) M 2 ( y ) d y = 0 \frac{M_1(x)}{N_1(x)} \mathrm{d}x + \frac{N_2(y)}{M_2(y)} \mathrm{d}y = 0
N 1 ( x ) M 1 ( x ) d x + M 2 ( y ) N 2 ( y ) d y = 0
等式两端积分,可得方程的通解为
∫ M 1 ( x ) N 1 ( x ) d x + ∫ N 2 ( y ) M 2 ( y ) d y = C \int \frac{M_1(x)}{N_1(x)} \mathrm{d}x + \int \frac{N_2(y)}{M_2(y)} \mathrm{d}y = C
∫ N 1 ( x ) M 1 ( x ) d x + ∫ M 2 ( y ) N 2 ( y ) d y = C
其中 C C C 为任意常数。
若存在 x 0 , y 0 x_0, y_0 x 0 , y 0 使得 N 1 ( x 0 ) = 0 N_1(x_0) = 0 N 1 ( x 0 ) = 0 或 M 2 ( y 0 ) = 0 M_2(y_0) = 0 M 2 ( y 0 ) = 0 ,则易知 x = x 0 x = x_0 x = x 0 或 y = y 0 y = y_0 y = y 0 也是方程的解。
齐次微分方程
形如
d y d x = φ ( y x ) \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \varphi \left( \frac{y}{x} \right)
d x d y = φ ( x y )
的方程称为齐次微分方程 。
求解过程: 若 φ \varphi φ 为连续函数,可令 u = y x u = \dfrac{y}{x} u = x y ,即 y = x u y = xu y = xu ,从而 d y d x = u + x d u d x \dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = u + x\dfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x} d x d y = u + x d x d u ,代入原方程中得 u + x d u d x = φ ( u ) u + x\dfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x} = \varphi(u) u + x d x d u = φ ( u ) ,即
d u d x = φ ( u ) − u x \frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x} = \frac{\varphi(u) - u}{x}
d x d u = x φ ( u ) − u
当 φ ( u ) − u ≠ 0 \varphi(u) - u \neq 0 φ ( u ) − u = 0 时,分离变量后积分得
∫ d u φ ( u ) − u = ∫ d x x \int \frac{\mathrm{d}u}{\varphi(u) - u} = \int \frac{\mathrm{d}x}{x}
∫ φ ( u ) − u d u = ∫ x d x
记 Φ ( u ) \varPhi(u) Φ ( u ) 为 d u φ ( u ) − u \dfrac{\mathrm{d}u}{\varphi(u) - u} φ ( u ) − u d u 的一个原函数,则可得
Φ ( u ) = ln ∣ x ∣ + C \varPhi(u) = \ln|x| + C
Φ ( u ) = ln ∣ x ∣ + C
再将 u = y x u = \dfrac{y}{x} u = x y 代入,便可得到齐次微分方程的通解
Φ ( y x ) = ln ∣ x ∣ + C \varPhi \left( \frac{y}{x} \right) = \ln|x| + C
Φ ( x y ) = ln ∣ x ∣ + C
若存在函数 u 0 u_0 u 0 ,使得 φ ( u 0 ) − u 0 = 0 \varphi(u_0) - u_0 = 0 φ ( u 0 ) − u 0 = 0 ,则 u = u 0 u = u_0 u = u 0 即 y = u 0 x y = u_0 x y = u 0 x 也是齐次微分方程的解。
例:求解常微分方程
d y d x = 2 y x + y x \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 2\sqrt{\frac{y}{x}} + \frac{y}{x}
d x d y = 2 x y + x y
解:令 u = y x u = \dfrac{y}{x} u = x y ,代入方程得
u + x d u d x = 2 u + u u + x\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x} = 2\sqrt{u} + u
u + x d x d u = 2 u + u
即
x d u d x = 2 u x\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x} = 2\sqrt{u}
x d x d u = 2 u
当 u ≠ 0 u \neq 0 u = 0 时,分离变量后积分得
u = ( ln ∣ x ∣ + C ) 2 u = (\ln|x| + C)^2
u = ( ln ∣ x ∣ + C ) 2
将 u = y x u = \dfrac{y}{x} u = x y 代入上式可得通解
y = x ( ln ∣ x ∣ + C ) 2 y = x(\ln|x| + C)^2
y = x ( ln ∣ x ∣ + C ) 2
当 u = 0 u = 0 u = 0 时,得到 y = 0 ( x ≠ 0 ) y = 0\ (x \neq 0) y = 0 ( x = 0 ) 也是该方程的解。
形如
d y d x = f ( a x + b y + c a 1 x + b 1 y + c 1 ) \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = f\left( \frac{ax + by + c}{a_1 x + b_1 y + c_1} \right)
d x d y = f ( a 1 x + b 1 y + c 1 a x + b y + c )
的方程称为准齐次方程 ,其中 a , b , c , a 1 , b 1 , c 1 a, b, c, a_1, b_1, c_1 a , b , c , a 1 , b 1 , c 1 都是常数。
当 c = c 1 = 0 c = c_1 = 0 c = c 1 = 0 时,该方程即为齐次方程;当 c c c 和 c 1 c_1 c 1 中至少有一个不为零时,可经过适当的变换将该方程化为齐次方程。
求解过程 1: 当 Δ = ∣ a b a 1 b 1 ∣ ≠ 0 \Delta = \begin{vmatrix} a & b \\ a_1 & b_1 \end{vmatrix} \neq 0 Δ = a a 1 b b 1 = 0 时,引入新的变量
x = X + α , y = Y + β x = X + \alpha, \quad y = Y + \beta
x = X + α , y = Y + β
其中 α , β \alpha, \beta α , β 为待定常数。
代入原方程可得
d Y d X = f ( a X + b Y + a α + b β + c a 1 X + b 1 Y + a 1 α + b 1 β + c 1 ) \frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}X} = f\left( \frac{aX + bY + a\alpha + b\beta + c}{a_1 X + b_1 Y + a_1 \alpha + b_1 \beta + c_1} \right)
d X d Y = f ( a 1 X + b 1 Y + a 1 α + b 1 β + c 1 a X + bY + a α + b β + c )
为使该方程是齐次的,应选 α , β \alpha, \beta α , β 满足
{ a α + b β + c = 0 a 1 α + b 1 β + c 1 = 0 \begin{cases}
a\alpha + b\beta + c = 0\\
a_1\alpha + b_1\beta + c_1 = 0
\end{cases} { a α + b β + c = 0 a 1 α + b 1 β + c 1 = 0
因为 Δ ≠ 0 \Delta \neq 0 Δ = 0 ,所以这样的 α , β \alpha, \beta α , β 存在且唯一,于是有
d Y d X = f ( a X + b Y a 1 X + b 1 Y ) \frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}X} = f\left( \frac{aX + bY}{a_1 X + b_1 Y} \right)
d X d Y = f ( a 1 X + b 1 Y a X + bY )
如果函数为 Y = Y ( X ) Y = Y(X) Y = Y ( X ) 为上述方程的解,则函数
y = Y ( x − α ) + β y = Y(x - \alpha) + \beta
y = Y ( x − α ) + β
就是原方程的解。
例:求解方程 d y d x = − x + y − 2 x + y + 4 \dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{-x + y - 2}{x + y + 4} d x d y = x + y + 4 − x + y − 2 .
解:令 x = X + α , y = Y + β x = X + \alpha, y = Y + \beta x = X + α , y = Y + β ,代入方程中得
d Y d X = − X + Y − α + β − 2 X + Y + α + β + 4 \frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}X} = \frac{-X + Y - \alpha + \beta - 2}{X + Y + \alpha + \beta + 4}
d X d Y = X + Y + α + β + 4 − X + Y − α + β − 2
由
{ − α + β − 2 = 0 α + β + 4 = 0 \begin{cases}
-\alpha + \beta - 2 = 0\\
\alpha + \beta + 4 = 0
\end{cases} { − α + β − 2 = 0 α + β + 4 = 0
解得 α = − 3 , β = − 1 \alpha = -3, \beta = -1 α = − 3 , β = − 1 .
对方程 d Y d X = − X + Y X + Y \dfrac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}X} = \dfrac{-X + Y}{X + Y} d X d Y = X + Y − X + Y ,将分子、分母同除 X X X 得
d Y d X = − 1 + Y X 1 + Y X \frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}X} = \frac{-1 + \dfrac{Y}{X}}{1 + \dfrac{Y}{X}}
d X d Y = 1 + X Y − 1 + X Y
令 u = Y X u = \dfrac{Y}{X} u = X Y ,得 u + X d u d X = − 1 + u 1 + u u + X\dfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}X} = \dfrac{-1 + u}{1 + u} u + X d X d u = 1 + u − 1 + u ,整理得
X d u d X = − 1 + u 2 1 + u ( 1 + u ) d u 1 + u 2 = − d X X \begin{aligned}
X\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}X} &= -\frac{1 + u^2}{1 + u}\\
\frac{(1 + u)\mathrm{d}u}{1 + u^2} &= -\frac{\mathrm{d}X}{X}
\end{aligned} X d X d u 1 + u 2 ( 1 + u ) d u = − 1 + u 1 + u 2 = − X d X
两端积分有
arctan u + 1 2 ln ( 1 + u 2 ) = − ln ∣ X ∣ + C 1 1 2 [ ln ( 1 + Y 2 X 2 ) + 2 ln ∣ X ∣ ] = C 1 − arctan u \begin{aligned}
\arctan{u} + \frac{1}{2}\ln(1 + u^2) &= -\ln|X| + C_1\\
\frac{1}{2}\left[ \ln\left(1 + \frac{Y^2}{X^2}\right) + 2\ln|X| \right] &= C_1 - \arctan{u}
\end{aligned} arctan u + 2 1 ln ( 1 + u 2 ) 2 1 [ ln ( 1 + X 2 Y 2 ) + 2 ln ∣ X ∣ ] = − ln ∣ X ∣ + C 1 = C 1 − arctan u
即
X 2 + Y 2 = C e − arctan Y X \sqrt{X^2 + Y^2} = C\mathrm{e}^{-\arctan{\frac{Y}{X}}}
X 2 + Y 2 = C e − a r c t a n X Y
其中 C = e C 1 C = \mathrm{e}^{C_1} C = e C 1 为任意正实数。将 x = X − 3 , y = Y − 1 x = X - 3, y = Y - 1 x = X − 3 , y = Y − 1 代入上式,即可得到原方程的隐式通解
( x + 3 ) 2 + ( y + 1 ) 2 = C e − arctan y + 1 x + 3 \sqrt{(x + 3)^2 + (y + 1)^2} = C\mathrm{e}^{-\arctan{\frac{y + 1}{x + 3}}}
( x + 3 ) 2 + ( y + 1 ) 2 = C e − a r c t a n x + 3 y + 1
求解过程 2: 当 Δ = 0 \Delta = 0 Δ = 0 时,亦即 a 1 a = b 1 b = λ \dfrac{a_1}{a} = \dfrac{b_1}{b} = \lambda a a 1 = b b 1 = λ ,此时原方程可表示为
d y d x = f ( a x + b y + c λ ( a x + b y ) + c 1 ) \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = f\left( \frac{ax + by + c}{\lambda(ax + by) + c_1} \right)
d x d y = f ( λ ( a x + b y ) + c 1 a x + b y + c )
令 z = a x + b y z = ax + by z = a x + b y ,则有 d z d x = a + b d y d x \dfrac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}x} = a + b\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} d x d z = a + b d x d y ,代入上述方程可得
d z d x = a + b f ( z + c λ z + c 1 ) \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}x} = a + bf\left( \frac{z + c}{\lambda z + c_1} \right)
d x d z = a + b f ( λ z + c 1 z + c )
若函数 z = z ( x ) z = z(x) z = z ( x ) 是该方程的解,则函数
y = 1 b [ z ( x ) − a x ] y = \frac{1}{b}[z(x) - ax]
y = b 1 [ z ( x ) − a x ]
就是原方程的解。
例:求解方程 y ′ = x + 2 y + 1 2 x + 4 y − 1 y' = \dfrac{x + 2y + 1}{2x + 4y - 1} y ′ = 2 x + 4 y − 1 x + 2 y + 1
解:令 z = x + 2 y z = x + 2y z = x + 2 y ,则有
d z d x = 1 + 2 d y d x \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}x} = 1 + 2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}
d x d z = 1 + 2 d x d y
代入原方程可得
d z d x = 1 + 2 ( z + 1 ) 2 z − 1 d z d x = 4 z + 1 2 z − 1 1 2 ( 1 − 3 4 z + 1 ) d z = d x \begin{aligned}
\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}x} &= 1 + \frac{2(z + 1)}{2z - 1}\\
\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}x} &= \frac{4z + 1}{2z - 1}\\
\frac{1}{2}\left( 1 - \frac{3}{4z + 1} \right)\mathrm{d}z &= \mathrm{d}x
\end{aligned} d x d z d x d z 2 1 ( 1 − 4 z + 1 3 ) d z = 1 + 2 z − 1 2 ( z + 1 ) = 2 z − 1 4 z + 1 = d x
两端积分得
1 2 ( z − 3 4 ln ∣ 4 z + 1 ∣ ) = x + C 1 \begin{aligned}
\frac{1}{2}\left( z - \frac{3}{4}\ln|4z + 1| \right) = x + C_1
\end{aligned} 2 1 ( z − 4 3 ln ∣4 z + 1∣ ) = x + C 1
整理得
4 z − 3 ln ∣ 4 z + 1 ∣ = 8 x + C 4z - 3\ln|4z + 1| = 8x + C
4 z − 3 ln ∣4 z + 1∣ = 8 x + C
将 z = x + 2 y z = x + 2y z = x + 2 y 代入上式,可得原方程的通解为
8 y − 4 x − 3 ln ∣ 4 x + 8 y + 1 ∣ = C 8y - 4x - 3\ln|4x + 8y + 1| = C
8 y − 4 x − 3 ln ∣4 x + 8 y + 1∣ = C
一阶线性微分方程
形如
d y d x = p ( x ) y + q ( x ) \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = p(x)y + q(x)
d x d y = p ( x ) y + q ( x )
的方程称为一阶线性微分方程 。
当 q ( x ) ≡ 0 q(x) \equiv 0 q ( x ) ≡ 0 时,原方程变为
d y d x = p ( x ) y \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = p(x)y
d x d y = p ( x ) y
称为一阶齐次线性微分方程 ,显然 y = 0 y = 0 y = 0 是该方程的解。
当 y ≠ 0 y \neq 0 y = 0 时,分离变量得 d y y = p ( x ) d x \dfrac{\mathrm{d}y}{y} = p(x)\mathrm{d}x y d y = p ( x ) d x ,再两端积分后可得
ln ∣ y ∣ = ∫ p ( x ) d x + C 1 \ln|y| = \int p(x)\mathrm{d}x + C_1
ln ∣ y ∣ = ∫ p ( x ) d x + C 1
从而 y = C e ∫ p ( x ) d x ( C = ± e C 1 ≠ 0 ) y = C \mathrm{e}^{\int p(x) \mathrm{d}x}\ (C = \pm \mathrm{e}^{C_1} \neq 0) y = C e ∫ p ( x ) d x ( C = ± e C 1 = 0 ) ,又因为 y = 0 y = 0 y = 0 也是原方程的解,所以一阶齐次线性微分方程的通解 为
y ( x ) = C e ∫ p ( x ) d x ( C 为任意常数 ) y(x) = C \mathrm{e}^{\int p(x) \mathrm{d}x} \quad (C \ \text{为任意常数})
y ( x ) = C e ∫ p ( x ) d x ( C 为任意常数 )
对于初值问题
{ d y d x = p ( x ) y , a < x < b y ( x 0 ) = y 0 , x 0 ∈ ( a , b ) \begin{cases}
\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = p(x)y, & a < x < b\\
y(x_0) = y_0, & x_0 \in (a, b)
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ d x d y = p ( x ) y , y ( x 0 ) = y 0 , a < x < b x 0 ∈ ( a , b )
可以证明其解为 y ( x ) = y 0 e ∫ x 0 x p ( t ) d t y(x) = y_0\mathrm{e}^{\int_{x_0}^x p(t) \mathrm{d}t} y ( x ) = y 0 e ∫ x 0 x p ( t ) d t .
当 q ( x ) ̸ ≡ 0 q(x) \not\!\equiv 0 q ( x ) ≡ 0 时,原方程称为一阶非齐次线性微分方程 ,可采用常数变易法 求其通解。
常数变易法:将对应的齐次微分方程的通解中的常数 C C C 改为函数 C ( x ) C(x) C ( x ) ,并通过适当选择 C ( x ) C(x) C ( x ) 以得到非齐次微分方程的通解。
设 y ( x ) = C ( x ) e ∫ p ( x ) d x y(x) = C(x) \mathrm{e}^{\int p(x) \mathrm{d}x} y ( x ) = C ( x ) e ∫ p ( x ) d x 是方程的解,则有恒等式
[ C ( x ) e ∫ p ( x ) d x ] ′ ≡ p ( x ) C ( x ) e ∫ p ( x ) d x + q ( x ) \left[ C(x)\mathrm{e}^{\int p(x) \mathrm{d}x} \right]' \equiv p(x)C(x)\mathrm{e}^{\int p(x) \mathrm{d}x} + q(x)
[ C ( x ) e ∫ p ( x ) d x ] ′ ≡ p ( x ) C ( x ) e ∫ p ( x ) d x + q ( x )
化简可得
C ′ ( x ) = q ( x ) e − ∫ p ( x ) d x C'(x) = q(x)\mathrm{e}^{-\int p(x) \mathrm{d}x}
C ′ ( x ) = q ( x ) e − ∫ p ( x ) d x
两端积分得
C ( x ) = ∫ q ( x ) e − ∫ p ( x ) d x C(x) = \int q(x)\mathrm{e}^{-\int p(x) \mathrm{d}x}
C ( x ) = ∫ q ( x ) e − ∫ p ( x ) d x
于是可得到一阶非齐次线性微分方程的通解 为
y ( x ) = e ∫ p ( x ) d x ( ∫ q ( x ) e − ∫ p ( x ) d x d x + C ) = e ∫ p ( x ) d x ∫ q ( x ) e − ∫ p ( x ) d x d x + C e ∫ p ( x ) d x \begin{aligned}
y(x) &= \mathrm{e}^{\int p(x) \mathrm{d}x}\left( \int q(x)\mathrm{e}^{-\int p(x) \mathrm{d}x} \mathrm{d}x + C \right)\\
&= \mathrm{e}^{\int p(x) \mathrm{d}x}\int q(x)\mathrm{e}^{-\int p(x) \mathrm{d}x} \mathrm{d}x + C\mathrm{e}^{\int p(x) \mathrm{d}x}
\end{aligned} y ( x ) = e ∫ p ( x ) d x ( ∫ q ( x ) e − ∫ p ( x ) d x d x + C ) = e ∫ p ( x ) d x ∫ q ( x ) e − ∫ p ( x ) d x d x + C e ∫ p ( x ) d x
当 C = 0 C = 0 C = 0 时,可以得到一个特解 为
y ∗ ( x ) = e ∫ p ( x ) d x ∫ q ( x ) e − ∫ p ( x ) d x d x y^*(x) = \mathrm{e}^{\int p(x) \mathrm{d}x}\int q(x)\mathrm{e}^{-\int p(x) \mathrm{d}x} \mathrm{d}x
y ∗ ( x ) = e ∫ p ( x ) d x ∫ q ( x ) e − ∫ p ( x ) d x d x
例:求解方程 d y d x = 2 x y + 1 2 x \dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{2}{x}y + \dfrac{1}{2}x d x d y = x 2 y + 2 1 x .
解:令 p ( x ) = 2 x , q ( x ) = 1 2 x p(x) = \dfrac{2}{x}, q(x) = \dfrac{1}{2}x p ( x ) = x 2 , q ( x ) = 2 1 x ,则
y = e ∫ 2 x d x ( ∫ 1 2 x e − ∫ 2 x d x d x + C ) = x 2 ( ∫ 1 2 x 1 x 2 d x + C ) = x 2 ( 1 2 ln ∣ x ∣ + C ) \begin{aligned}
y &= \mathrm{e}^{\int \frac{2}{x} \mathrm{d}x}\left( \int \frac{1}{2}x \mathrm{e}^{-\int \frac{2}{x} \mathrm{d}x} \mathrm{d}x + C \right)\\
&= x^2 \left( \int \frac{1}{2}x \frac{1}{x^2} \mathrm{d}x + C \right)\\
&= x^2 \left( \frac{1}{2}\ln|x| + C \right)
\end{aligned} y = e ∫ x 2 d x ( ∫ 2 1 x e − ∫ x 2 d x d x + C ) = x 2 ( ∫ 2 1 x x 2 1 d x + C ) = x 2 ( 2 1 ln ∣ x ∣ + C )
形如
d y d x = p ( x ) y + q ( x ) y n ( n ≠ 0 , 1 ) \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = p(x)y + q(x)y^n \quad (n \neq 0, 1)
d x d y = p ( x ) y + q ( x ) y n ( n = 0 , 1 )
的方程称为伯努利(Bernoulli)微分方程 。
求解过程: 将方程两端除以 y n y^n y n ,得到
y − n d y d x = p ( x ) y 1 − n + q ( x ) y^{-n} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = p(x)y^{1 - n} + q(x)
y − n d x d y = p ( x ) y 1 − n + q ( x )
令 z = y 1 − n z = y^{1 - n} z = y 1 − n ,则有
( 1 − y ) y − n d y d x = d z d x (1 - y)y^{-n} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}x}
( 1 − y ) y − n d x d y = d x d z
代入方程,可得
1 1 − n d z d x = p ( x ) z + q ( x ) \frac{1}{1 - n} \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}x} = p(x)z + q(x)
1 − n 1 d x d z = p ( x ) z + q ( x )
即
d z d x = ( 1 − n ) p ( x ) z + ( 1 − n ) q ( x ) \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}x} = (1 - n)p(x)z + (1 - n)q(x)
d x d z = ( 1 − n ) p ( x ) z + ( 1 − n ) q ( x )
得到一阶线性微分方程,求出 z z z 后再用 y y y 代回,即可得到伯努利方程的解。
当 n > 0 n > 0 n > 0 时,方程显然有解 y = 0 y = 0 y = 0 ,在求解时应该加上。
例:求解方程 d y d x + y x = ( ln x ) y 2 \dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} + \dfrac{y}{x} = (\ln{x})y^2 d x d y + x y = ( ln x ) y 2 .
解:这是一个 n = 2 n = 2 n = 2 的伯努利方程,显然 y = 0 y = 0 y = 0 是该方程的解。当 y ≠ 0 y \neq 0 y = 0 时,方程两端同时除以 y 2 y^2 y 2 得
y − 2 d y d x + 1 x y − 1 = ln x y^{-2}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} + \frac{1}{x}y^{-1} = \ln{x}
y − 2 d x d y + x 1 y − 1 = ln x
令 z = y − 1 z = y^{-1} z = y − 1 ,则有 d z d x = − y − 2 d y d x \dfrac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}x} = -y^{-2}\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} d x d z = − y − 2 d x d y .
于是原方程化为一阶线性微分方程
d z d x = z x − ln x \dfrac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}x} = \dfrac{z}{x} -\ln{x}
d x d z = x z − ln x
令 p ( x ) = 1 x , q ( x ) = ln x p(x) = \dfrac{1}{x}, q(x) = \ln{x} p ( x ) = x 1 , q ( x ) = ln x ,则通解为
z ( x ) = e ∫ 1 x d x ( ∫ ln x e − ∫ 1 x d x d x + C ) = − 1 2 x ln 2 x + C 1 x \begin{aligned}
z(x) &= \mathrm{e}^{\int \frac{1}{x} \mathrm{d}x} \left( \int \ln{x} \mathrm{e}^{-\int \frac{1}{x} \mathrm{d}x} \mathrm{d}x + C \right)\\
&= -\frac{1}{2} x \ln^2{x} + C_1 x
\end{aligned} z ( x ) = e ∫ x 1 d x ( ∫ ln x e − ∫ x 1 d x d x + C ) = − 2 1 x ln 2 x + C 1 x
将 z = y − 1 z = y^{-1} z = y − 1 代入上式,得到原方程的解为
y ( x ) = 1 x [ C − 1 2 ( ln x ) 2 ] y(x) = \frac{1}{x \left[ C - \dfrac{1}{2}(\ln{x})^2 \right]}
y ( x ) = x [ C − 2 1 ( ln x ) 2 ] 1
其中 C C C 为任意常数。此外方程还有解 y = 0 y = 0 y = 0 .
全微分方程和积分因子
形如
P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0 P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y = 0
P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0
的一阶微分方程称为对称式微分方程 ,其中 P ( x , y ) , Q ( x , y ) P(x, y), Q(x, y) P ( x , y ) , Q ( x , y ) 在单连通区域 D D D 内有连续的一阶偏导数。如果方程的左端恰为一个二元函数 u ( x , y ) u(x, y) u ( x , y ) 的全微分,即
d u ( x , y ) = P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y \mathrm{d}u(x, y) = P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y
d u ( x , y ) = P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y
则称该方程为全微分方程 或恰当方程 ,而函数 u ( x , y ) u(x, y) u ( x , y ) 称为微分式的原函数。
u ( x , y ) = C u(x, y) = C
u ( x , y ) = C
就是全微分方程的隐式通解。
定理: 设函数 P ( x , y ) , Q ( x , y ) P(x, y), Q(x, y) P ( x , y ) , Q ( x , y ) 在单连通区域 D D D 内有连续的一阶偏导数,则 P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0 P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y = 0 P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0 为全微分方程的充要条件是
∂ P ∂ y ≡ ∂ Q ∂ x \frac{\partial P}{\partial y} \equiv \frac{\partial Q}{\partial x}
∂ y ∂ P ≡ ∂ x ∂ Q
在 D D D 内处处成立,对应的原函数为
u ( x , y ) = ∫ ( x 0 , y 0 ) ( x , y ) P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y u(x, y) = \int_{(x_0, y_0)}^{(x, y)} P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y
u ( x , y ) = ∫ ( x 0 , y 0 ) ( x , y ) P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y
其中 ( x 0 , y 0 ) (x_0, y_0) ( x 0 , y 0 ) 为 D D D 中任意一点。
此时,由方程
u ( x , y ) = ∫ ( x 0 , y 0 ) ( x , y ) P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = C u(x, y) = \int_{(x_0, y_0)}^{(x, y)} P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y = C
u ( x , y ) = ∫ ( x 0 , y 0 ) ( x , y ) P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = C
所确定的函数,就是全微分方程的隐式通解。
例:求解方程 ( x 3 + x 2 y 3 ) d x + ( x 3 + x 2 + y 3 ) d y = 0 (x^3 + x^2 y^3)\mathrm{d}x + (x^3 + x^2 + y^3)\mathrm{d}y = 0 ( x 3 + x 2 y 3 ) d x + ( x 3 + x 2 + y 3 ) d y = 0 .
解:令 P ( x , y ) = x 3 + x 2 y 3 , Q ( x , y ) = x 3 + x 2 + y 3 P(x, y) = x^3 + x^2 y^3, Q(x, y) = x^3 + x^2 + y^3 P ( x , y ) = x 3 + x 2 y 3 , Q ( x , y ) = x 3 + x 2 + y 3 ,由于它们在 O x y Oxy O x y 面上拥有连续的一阶偏导数,并且
∂ P ∂ y = ∂ Q ∂ x = 3 x 2 y 2 \frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial Q}{\partial x} = 3x^2 y^2
∂ y ∂ P = ∂ x ∂ Q = 3 x 2 y 2
因此原方程为全微分方程。取 x 0 = 0 , y 0 = 0 x_0 = 0, y_0 = 0 x 0 = 0 , y 0 = 0 ,有
u ( x , y ) = ∫ 0 x x 3 d x + ∫ 0 y ( x 3 + x 2 + y 3 ) d y = 1 4 x 4 + 1 3 x 3 y 3 + 1 4 y 4 u(x, y) = \int_0^x x^3 \mathrm{d}x + \int_0^y (x^3 + x^2 + y^3) \mathrm{d}y = \frac{1}{4} x^4 + \frac{1}{3} x^3 y^3 + \frac{1}{4} y^4
u ( x , y ) = ∫ 0 x x 3 d x + ∫ 0 y ( x 3 + x 2 + y 3 ) d y = 4 1 x 4 + 3 1 x 3 y 3 + 4 1 y 4
从而
1 4 x 4 + 1 3 x 3 y 3 + 1 4 y 4 = C \frac{1}{4} x^4 + \frac{1}{3} x^3 y^3 + \frac{1}{4} y^4 = C
4 1 x 4 + 3 1 x 3 y 3 + 4 1 y 4 = C
为原方程的隐式通解,其中 C C C 为任意常数。
全微分初值问题
{ P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0 y ( x 0 ) = y 0 \begin{cases}
P(x, y) \mathrm{d}x + Q(x, y) \mathrm{d}y = 0\\
y(x_0) = y_0
\end{cases} { P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0 y ( x 0 ) = y 0
的解为
u ( x , y ) = ∫ x 0 x P ( x , y 0 ) d x + ∫ y 0 y Q ( x , y ) d y = 0 u(x, y) = \int_{x_0}^x P(x, y_0) \mathrm{d}x + \int_{y_0}^y Q(x, y) \mathrm{d}y = 0
u ( x , y ) = ∫ x 0 x P ( x , y 0 ) d x + ∫ y 0 y Q ( x , y ) d y = 0
或
u ( x , y ) = ∫ x 0 x P ( x , y ) d x + ∫ y 0 y Q ( x 0 , y ) d y = 0 u(x, y) = \int_{x_0}^x P(x, y) \mathrm{d}x + \int_{y_0}^y Q(x_0, y) \mathrm{d}y = 0
u ( x , y ) = ∫ x 0 x P ( x , y ) d x + ∫ y 0 y Q ( x 0 , y ) d y = 0
积分因子: 设方程 P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0 P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y = 0 P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0 不是全微分方程,如果存在连续可微函数 μ ( x , y ) ≠ 0 \mu(x, y) \neq 0 μ ( x , y ) = 0 ,使方程
μ ( x , y ) P ( x , y ) d x + μ ( x , y ) Q ( x , y ) d y = 0 \mu(x, y)P(x, y)\mathrm{d}x + \mu(x, y)Q(x, y)\mathrm{d}y = 0
μ ( x , y ) P ( x , y ) d x + μ ( x , y ) Q ( x , y ) d y = 0
成为全微分方程,则称 μ ( x , y ) \mu(x, y) μ ( x , y ) 为原方程的积分因子。
方程有 μ = μ ( x ) \mu = \mu(x) μ = μ ( x ) 型的积分因子的充要条件是函数
∂ P ∂ y − ∂ Q ∂ x Q \frac{\dfrac{\partial P}{\partial y} - \dfrac{\partial Q}{\partial x}}{Q}
Q ∂ y ∂ P − ∂ x ∂ Q
只是变量 x x x 的函数,此时积分因子为
μ ( x ) = exp { ∫ 1 Q ( ∂ P ∂ y − ∂ Q ∂ x ) d x } \mu(x) = \exp \left\{ \int \frac{1}{Q} \left( \dfrac{\partial P}{\partial y} - \dfrac{\partial Q}{\partial x} \right) \mathrm{d}x \right\}
μ ( x ) = exp { ∫ Q 1 ( ∂ y ∂ P − ∂ x ∂ Q ) d x }
方程有 μ = μ ( y ) \mu = \mu(y) μ = μ ( y ) 型的积分因子的充要条件是函数
− ∂ P ∂ y − ∂ Q ∂ x P -\frac{\dfrac{\partial P}{\partial y} - \dfrac{\partial Q}{\partial x}}{P}
− P ∂ y ∂ P − ∂ x ∂ Q
只是变量 y y y 的函数,此时积分因子为
μ ( x ) = exp { − ∫ 1 P ( ∂ P ∂ y − ∂ Q ∂ x ) d x } \mu(x) = \exp \left\{ -\int \frac{1}{P} \left( \dfrac{\partial P}{\partial y} - \dfrac{\partial Q}{\partial x} \right) \mathrm{d}x \right\}
μ ( x ) = exp { − ∫ P 1 ( ∂ y ∂ P − ∂ x ∂ Q ) d x }
一阶隐式方程
一阶隐式方程的一般形式为
F ( x , y , y ′ ) = 0 F(x, y, y') = 0
F ( x , y , y ′ ) = 0
情况 1: 在区间 ( α , β ) (\alpha, \beta) ( α , β ) 上可微的函数 x = φ ( t ) , y = ψ ( t ) x = \varphi(t), y = \psi(t) x = φ ( t ) , y = ψ ( t ) ,如果能使
F [ φ ( t ) , ψ ( t ) , ] ≡ 0 ( α < t < β ) F\left[ \varphi(t), \psi(t), \ \right] \equiv 0 \quad (\alpha < t < \beta)
F [ φ ( t ) , ψ ( t ) , ] ≡ 0 ( α < t < β )
则称函数 x = φ ( t ) , y = ψ ( t ) x = \varphi(t), y = \psi(t) x = φ ( t ) , y = ψ ( t ) 是方程在 ( α , β ) (\alpha, \beta) ( α , β ) 上的参数形式的解 。
情况 2: 设方程已就 y y y 解出
y = f ( x , y ′ ) y = f(x, y')
y = f ( x , y ′ )
并设函数 f ( x , y ′ ) f(x, y') f ( x , y ′ ) 有连续的偏导数。
引入未知函数 p = p ( x ) = y ′ p = p(x) = y' p = p ( x ) = y ′ ,则 y = f ( x , p ) y= f(x, p) y = f ( x , p ) . 两端关于 x x x 求导得
p = f x ′ ( x , p ) + f p ′ ( x , p ) d p d x p = f_x'(x, p) + f_p'(x, p)\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}x}
p = f x ′ ( x , p ) + f p ′ ( x , p ) d x d p
或写成对称形式
[ p − f x ′ ( x , p ) ] d x − f p ′ ( x , p ) d p = 0 [p - f_x'(x, p)]\mathrm{d}x - f_p'(x, p)\mathrm{d}p = 0
[ p − f x ′ ( x , p )] d x − f p ′ ( x , p ) d p = 0
若从上述方程中解出 p = p ( x , C ) p = p(x, C) p = p ( x , C ) ,则代入 y = f ( x , p ) y = f(x, p) y = f ( x , p ) ,可得原方程的通解为
y = f [ x , p ( x , C ) ] y = f[x, p(x, C)]
y = f [ x , p ( x , C )]
若从上述方程中解出 x = x ( p , C ) x = x(p, C) x = x ( p , C ) ,则得原方程的参数形式通解为
{ x = x ( p , C ) y = f [ x ( p , C ) , p ] \begin{cases}
x = x(p, C) \\
y = f[x(p, C), p]
\end{cases} { x = x ( p , C ) y = f [ x ( p , C ) , p ]
若从上述方程中解出隐式通解 Φ ( x , p , C ) = 0 \varPhi(x, p, C) = 0 Φ ( x , p , C ) = 0 ,则得原方程的参数形式隐式通解为
{ y = f ( x , p ) Φ ( x , p , C ) = 0 \begin{cases}
y = f(x, p) \\
\varPhi(x, p, C) = 0
\end{cases} { y = f ( x , p ) Φ ( x , p , C ) = 0
高阶微分方程
可降阶的高阶微分方程
1. 方程 y ( n ) = f ( x ) y^{(n)} = f(x) y ( n ) = f ( x )
常微分方程
y ( n ) = f ( x ) y^{(n)} = f(x)
y ( n ) = f ( x )
的右端项 f ( x ) f(x) f ( x ) 仅含有自变量 x x x . 两端积分,可得一个 n − 1 n - 1 n − 1 阶的微分方程
y ( n − 1 ) = ∫ f ( x ) d x + C 1 y^{(n - 1)} = \int f(x) \mathrm{d}x + C_1
y ( n − 1 ) = ∫ f ( x ) d x + C 1
同理可得
y ( n − 2 ) = ∫ [ ∫ f ( x ) d x + C 1 ] d x + C 2 = ∬ f ( x ) ( d x ) 2 + C 1 x + C 2 y^{(n - 2)} = \int \left[ \int f(x) \mathrm{d}x + C_1 \right]\mathrm{d}x + C_2 = \iint f(x)(\mathrm{d}x)^2 + C_1x + C_2
y ( n − 2 ) = ∫ [ ∫ f ( x ) d x + C 1 ] d x + C 2 = ∬ f ( x ) ( d x ) 2 + C 1 x + C 2
所以通过 n n n 次积分可求得方程的通解为
y = ∫ ⋯ ∫ ⏟ n f ( x ) ( d x ) n + C 1 ( n − 1 ) ! x n − 1 + C 2 ( n − 2 ) ! x n − 2 + ⋯ + C n − 1 x + C n y = \underbrace{\int \cdots \int}_n f(x)(\mathrm{d}x)^n + \frac{C_1}{(n - 1)!} x^{n - 1} + \frac{C_2}{(n - 2)!} x^{n - 2} + \cdots + C_{n - 1}x + C_n
y = n ∫ ⋯ ∫ f ( x ) ( d x ) n + ( n − 1 )! C 1 x n − 1 + ( n − 2 )! C 2 x n − 2 + ⋯ + C n − 1 x + C n
其中 C 1 , C 2 , ⋯ , C n C_1, C_2, \cdots, C_n C 1 , C 2 , ⋯ , C n 为任意常数。
例:求微分方程 y ′ ′ ′ = x e x y''' = x\mathrm{e}^x y ′′′ = x e x 的通解。
解:对所给方程两端依次积分三次,可得
y ′ ′ = ∫ x e x d x = ∫ x d e x = x e x − ∫ e x d x = ( x − 1 ) e x + C y ′ = ∫ ( x − 1 ) e x d x + C x + C 2 = ( x − 2 ) e x + C x + C 2 y = ∫ ( x − 2 ) e x d x + C 2 x 2 + C 2 x + C 3 = ( x − 3 ) e x + C 1 x 2 + C 2 x + C 3 ( C 1 = C 2 ) \begin{aligned}
y'' &= \int x\mathrm{e}^x \mathrm{d}x = \int x \mathrm{d}\mathrm{e}^x = x\mathrm{e}^x - \int \mathrm{e}^x \mathrm{d}x = (x - 1)\mathrm{e}^x + C\\
y' &= \int (x - 1)\mathrm{e}^x \mathrm{d}x + Cx + C_2 = (x - 2)\mathrm{e}^x + Cx + C_2\\
y &= \int (x - 2)\mathrm{e}^x \mathrm{d}x + \frac{C}{2}x^2 + C_2 x + C_3\\
&= (x - 3)\mathrm{e}^x + C_1x^2 + C_2x + C_3 \quad (C_1 = \frac{C}{2})
\end{aligned} y ′′ y ′ y = ∫ x e x d x = ∫ x d e x = x e x − ∫ e x d x = ( x − 1 ) e x + C = ∫ ( x − 1 ) e x d x + C x + C 2 = ( x − 2 ) e x + C x + C 2 = ∫ ( x − 2 ) e x d x + 2 C x 2 + C 2 x + C 3 = ( x − 3 ) e x + C 1 x 2 + C 2 x + C 3 ( C 1 = 2 C )
其中 C 1 , C 2 , C 3 C_1, C_2, C_3 C 1 , C 2 , C 3 为任意常数。
2. 方程 y ′ ′ = f ( x , y ′ ) y'' = f(x, y') y ′′ = f ( x , y ′ )
常微分方程
y ′ ′ = f ( x , y ′ ) y'' = f(x, y')
y ′′ = f ( x , y ′ )
不显式地含有 y y y . 令 y ′ = p y' = p y ′ = p ,则 y ′ ′ = d p d x = p ′ y'' = \dfrac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}x} = p' y ′′ = d x d p = p ′ ,于是原方程化为
p ′ = f ( x , p ) p' = f(x, p)
p ′ = f ( x , p )
设其通解为 p = φ ( x , C 1 ) p = \varphi(x, C_1) p = φ ( x , C 1 ) ,即 y ′ = φ ( x , C 1 ) y' = \varphi(x, C_1) y ′ = φ ( x , C 1 ) . 两端积分可得原方程的通解为
y = ∫ φ ( x , C 1 ) d x + C 2 y = \int \varphi(x, C_1) \mathrm{d}x + C_2
y = ∫ φ ( x , C 1 ) d x + C 2
其中 C 1 , C 2 C_1, C_2 C 1 , C 2 为任意常数。
例:求微分方程 x y ′ ′ + y ′ − x 2 xy'' + y' - x^2 x y ′′ + y ′ − x 2 的通解。
解:令 y ′ = p y' = p y ′ = p ,则原方程化为 x p ′ + p − x 2 = 0 xp' + p - x^2 = 0 x p ′ + p − x 2 = 0 ,即 p ′ = − p x + x p' = -\dfrac{p}{x} + x p ′ = − x p + x .
先解 p ′ = − p x p' = -\dfrac{p}{x} p ′ = − x p ,其通解为 p = C x p = \dfrac{C}{x} p = x C .
令 p = C ( x ) x p = \dfrac{C(x)}{x} p = x C ( x ) 为方程 p ′ = − p x + x p' = -\dfrac{p}{x} + x p ′ = − x p + x 的解,则 C ′ ( x ) x = x \dfrac{C'(x)}{x} = x x C ′ ( x ) = x ,从而 C ′ ( x ) = x 2 C'(x) = x^2 C ′ ( x ) = x 2 ,于是 C ( x ) = 1 3 x 3 + C C(x) = \dfrac{1}{3}x^3 + C C ( x ) = 3 1 x 3 + C ,因此
y ′ = 1 3 x 3 + C x = 1 3 x 2 + C 1 x y' = \frac{\dfrac{1}{3}x^3 + C}{x} = \frac{1}{3}x^2 + \frac{C_1}{x}
y ′ = x 3 1 x 3 + C = 3 1 x 2 + x C 1
则原方程的通解为
y = 1 9 x 3 + C 1 ln ∣ x ∣ + C 2 y = \frac{1}{9}x^3 + C_1 \ln|x| + C_2
y = 9 1 x 3 + C 1 ln ∣ x ∣ + C 2
其中 C 1 , C 2 C_1, C_2 C 1 , C 2 为任意常数。
3. 方程 y ′ ′ = f ( y , y ′ ) y'' = f(y, y') y ′′ = f ( y , y ′ )
常微分方程
y ′ ′ = f ( x , y ′ ) y'' = f(x, y')
y ′′ = f ( x , y ′ )
不显式地含有 x x x . 令 y ′ = p y' = p y ′ = p ,则 y ′ ′ = d p d x = d p d y ⋅ d y d x = p d p d y y'' = \dfrac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}x} = \dfrac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}y} \cdot \dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = p\dfrac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}y} y ′′ = d x d p = d y d p ⋅ d x d y = p d y d p ,于是原方程化为
p d p d y = f ( y , p ) p\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}y} = f(y, p)
p d y d p = f ( y , p )
设其通解为 p = φ ( y , C 1 ) p = \varphi(y, C_1) p = φ ( y , C 1 ) ,即 y ′ = φ ( y , C 1 ) y' = \varphi(y, C_1) y ′ = φ ( y , C 1 ) ,则分离变量后积分得
∫ d y φ ( y , C 1 ) = x + C 2 \int \frac{\mathrm{d}y}{\varphi(y, C_1)} = x + C_2
∫ φ ( y , C 1 ) d y = x + C 2
即为原方程的通解,其中 C 1 , C 2 C_1, C_2 C 1 , C 2 为任意常数。
例:求微分方程 y y ′ ′ − ( y ′ ) 2 = 0 y y'' - (y')^2 = 0 y y ′′ − ( y ′ ) 2 = 0 的通解。
解:令 y ′ = p y' = p y ′ = p ,将它及 y ′ ′ = p d p d y y'' = p\dfrac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}y} y ′′ = p d y d p 代入所给方程中得
y p d p d y − p 2 = 0 yp\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}y} - p^2 = 0
y p d y d p − p 2 = 0
当 y ≠ 0 , p ≠ 0 y \neq 0, p \neq 0 y = 0 , p = 0 时,约去 p p p 并分离变量得
d p p = d y y \frac{\mathrm{d}p}{p} = \frac{\mathrm{d}y}{y}
p d p = y d y
两端积分得 ln ∣ p ∣ = ln ∣ y ∣ + C \ln|p| = \ln|y| + C ln ∣ p ∣ = ln ∣ y ∣ + C ,即 p = C 1 y p = C_1 y p = C 1 y ,也就是
y ′ = C 1 y ( C 1 = ± e C ) y' = C_1 y \quad (C_1 = \pm \mathrm{e}^C)
y ′ = C 1 y ( C 1 = ± e C )
分离变量后两端再积分得
ln ∣ y ∣ = C 1 x + C 2 ′ \ln|y| = C_1 x + C_2'
ln ∣ y ∣ = C 1 x + C 2 ′
则
y = C 2 e C 1 x ( C 2 = ± e C 2 ′ ) y = C_2 \mathrm{e}^{C_1 x} \quad (C_2 = \pm \mathrm{e}^{C_2'})
y = C 2 e C 1 x ( C 2 = ± e C 2 ′ )
当 p = 0 p = 0 p = 0 时,即 y ′ = 0 y' = 0 y ′ = 0 时,y = C y = C y = C (C C C 为任意常数)为所给方程的解,而 y = 0 y = 0 y = 0 也为所给方程的解,从而所给方程的通解为
y = C 2 e C 1 x y = C_2 \mathrm{e}^{C_1 x}
y = C 2 e C 1 x
其中 C 1 , C 2 C_1, C_2 C 1 , C 2 为任意常数。
高阶齐次线性微分方程
n n n 阶线性微分方程的一般形式为
y ( n ) + p 1 ( x ) y ( n − 1 ) + ⋯ + p n − 1 ( x ) y ′ + p n ( x ) y = f ( x ) y^{(n)} + p_1(x) y^{(n - 1)} + \cdots + p_{n - 1}(x)y' + p_n(x)y = f(x)
y ( n ) + p 1 ( x ) y ( n − 1 ) + ⋯ + p n − 1 ( x ) y ′ + p n ( x ) y = f ( x )
其中 p 1 ( x ) , ⋯ , p n − 1 ( x ) , p n ( x ) , f ( x ) p_1(x), \cdots, p_{n - 1}(x),p_n(x), f(x) p 1 ( x ) , ⋯ , p n − 1 ( x ) , p n ( x ) , f ( x ) 为关于 x x x 的已知函数。当 f ( x ) ≡ 0 f(x) \equiv 0 f ( x ) ≡ 0 时,称此方程为 n \bm{n} n 阶齐次线性微分方程 ;当 f ( x ) ̸ ≡ 0 f(x) \not\!\equiv 0 f ( x ) ≡ 0 时,称此方程为 n \bm{n} n 阶非齐次线性微分方程 。
通解的结构:
定义: 设 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) , ⋯ , y n ( x ) y_1(x), y_2(x), \cdots, y_n(x) y 1 ( x ) , y 2 ( x ) , ⋯ , y n ( x ) 是定义在区间 I I I 上的 n n n 个函数,若存在 n n n 个不全为零的常数 k 1 , k 2 , ⋯ , k n k_1, k_2, \cdots, k_n k 1 , k 2 , ⋯ , k n ,使得当 x ∈ I x \in I x ∈ I 时有恒等式
k 1 y 1 ( x ) + k 2 y 2 ( x ) + ⋯ + k n y n ( x ) ≡ 0 k_1 y_1(x) + k_2 y_2(x) + \cdots + k_n y_n(x) \equiv 0
k 1 y 1 ( x ) + k 2 y 2 ( x ) + ⋯ + k n y n ( x ) ≡ 0
成立,则称这 n n n 个函数在区间 I I I 上线性相关 ,否则称为线性无关 。
如果两个函数的比是常数,则它们就是线性相关的;否则,就是线性无关的。
定理: 若函数 y 1 ( x ) y_1(x) y 1 ( x ) 和 y 2 ( x ) y_2(x) y 2 ( x ) 是二阶齐次线性微分方程 y ′ ′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = 0 y'' + p_1(x)y' + p_2(x)y = 0 y ′′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = 0 的两个线性无关的解,则它们的线性组合
y ( x ) = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) y(x) = C_1 y_1(x) + C_2 y_2(x)
y ( x ) = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x )
是该方程的通解,其中 C 1 , C 2 C_1, C_2 C 1 , C 2 为任意常数。
推论: 若函数 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) , ⋯ , y n ( x ) y_1(x), y_2(x), \cdots, y_n(x) y 1 ( x ) , y 2 ( x ) , ⋯ , y n ( x ) 是 n n n 阶齐次线性微分方程
y ( n ) + p 1 ( x ) y ( n − 1 ) + ⋯ + p n − 1 ( x ) y ′ + p n ( x ) y = 0 y^{(n)} + p_1(x)y^{(n - 1)} + \cdots + p_{n - 1}(x)y' + p_n(x)y = 0
y ( n ) + p 1 ( x ) y ( n − 1 ) + ⋯ + p n − 1 ( x ) y ′ + p n ( x ) y = 0
的 n n n 个线性无关的解,则它们的线性组合
y ( x ) = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) + ⋯ + C n y n ( x ) y(x) = C_1 y_1(x) + C_2 y_2(x) + \cdots + C_n y_n(x)
y ( x ) = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) + ⋯ + C n y n ( x )
是该方程的通解,其中 C 1 , C 2 , ⋯ , C n C_1, C_2, \cdots, C_n C 1 , C 2 , ⋯ , C n 为任意常数。
通解的求法:
(1)置换法
例:已知函数 y 1 ( x ) = e 2 x y_1(x) = \mathrm{e}^{2x} y 1 ( x ) = e 2 x 是方程
( x + 2 ) y ′ ′ − ( 2 x + 5 ) y ′ + 2 y = 0 (x + 2)y'' - (2x + 5)y' + 2y = 0
( x + 2 ) y ′′ − ( 2 x + 5 ) y ′ + 2 y = 0
的解,求此方程的通解。
解:令 y 2 ( x ) = u ( x ) e 2 x y_2(x) = u(x)\mathrm{e}^{2x} y 2 ( x ) = u ( x ) e 2 x 为所给方程的另一个解,将其代入方程中得
( x + 2 ) [ u ′ ′ ( x ) e 2 x + 4 u ′ ( x ) e 2 x + 4 u ( x ) e 2 x ] − ( 2 x + 5 ) [ u ′ ( x ) e 2 x + 2 u ( x ) e 2 x ] + 2 u ( x ) e 2 x = 0 (x + 2)[u''(x)\mathrm{e}^{2x} + 4u'(x)\mathrm{e}^{2x} + 4u(x)\mathrm{e}^{2x}] - (2x + 5)[u'(x)\mathrm{e}^{2x} + 2u(x)\mathrm{e}^{2x}] + 2u(x)\mathrm{e}^{2x} = 0
( x + 2 ) [ u ′′ ( x ) e 2 x + 4 u ′ ( x ) e 2 x + 4 u ( x ) e 2 x ] − ( 2 x + 5 ) [ u ′ ( x ) e 2 x + 2 u ( x ) e 2 x ] + 2 u ( x ) e 2 x = 0
整理得
( x + 2 ) u ′ ′ + ( 2 x + 3 ) u ′ = 0 (x + 2)u'' + (2x + 3)u' = 0
( x + 2 ) u ′′ + ( 2 x + 3 ) u ′ = 0
令 v ( x ) = u ′ ( x ) v(x) = u'(x) v ( x ) = u ′ ( x ) ,则 v ( x ) v(x) v ( x ) 满足方程 ( x + 2 ) v ′ + ( 2 x + 3 ) v = 0 (x + 2)v' + (2x + 3)v = 0 ( x + 2 ) v ′ + ( 2 x + 3 ) v = 0 ,分离变量得
d v v = − 2 x + 3 x + 2 d x \frac{\mathrm{d}v}{v} = -\frac{2x + 3}{x + 2}\mathrm{d}x
v d v = − x + 2 2 x + 3 d x
两端积分得
ln ∣ v ∣ = − 2 x + ln ( x + 2 ) + C 1 \ln|v| = -2x + \ln(x + 2) + C_1
ln ∣ v ∣ = − 2 x + ln ( x + 2 ) + C 1
即
v ( x ) = C ( x + 2 ) e − 2 x v(x) = C(x + 2)\mathrm{e}^{-2x}
v ( x ) = C ( x + 2 ) e − 2 x
取 C = 1 C = 1 C = 1 ,v ( x ) = ( x + 2 ) e − 2 x v(x) = (x + 2)\mathrm{e}^{-2x} v ( x ) = ( x + 2 ) e − 2 x ,从而
u ′ ( x ) = ( x + 2 ) e − 2 x u'(x) = (x + 2)\mathrm{e}^{-2x}
u ′ ( x ) = ( x + 2 ) e − 2 x
积分得
u ( x ) = ∫ ( x + 2 ) e − 2 x d x = − 1 2 ∫ ( x + 2 ) d e − 2 x = − 1 2 [ ( x + 2 ) e − 2 x − ∫ e − 2 x d x ] = − 1 2 ( x + 2 ) e − 2 x − 1 4 e − 2 x = − 1 4 ( 2 x + 5 ) e − 2 x \begin{aligned}
u(x) &= \int (x + 2)\mathrm{e}^{-2x}\mathrm{d}x = -\frac{1}{2}\int(x + 2)\mathrm{d}\mathrm{e}^{-2x}\\
&= -\frac{1}{2} \left[ (x + 2)\mathrm{e}^{-2x} - \int \mathrm{e}^{-2x}\mathrm{d}x \right]\\
&= -\frac{1}{2}(x + 2)\mathrm{e}^{-2x} - \frac{1}{4}\mathrm{e}^{-2x} = -\frac{1}{4}(2x + 5)\mathrm{e}^{-2x}
\end{aligned} u ( x ) = ∫ ( x + 2 ) e − 2 x d x = − 2 1 ∫ ( x + 2 ) d e − 2 x = − 2 1 [ ( x + 2 ) e − 2 x − ∫ e − 2 x d x ] = − 2 1 ( x + 2 ) e − 2 x − 4 1 e − 2 x = − 4 1 ( 2 x + 5 ) e − 2 x
故 y 2 ( x ) = u ( x ) e 2 x = − 1 4 ( 2 x + 5 ) y_2(x) = u(x)\mathrm{e}^{2x} = -\dfrac{1}{4}(2x + 5) y 2 ( x ) = u ( x ) e 2 x = − 4 1 ( 2 x + 5 ) ,
于是所求通解为 y ( x ) = C 1 e 2 x + C 2 4 ( 2 x + 5 ) y(x) = C_1 \mathrm{e}^{2x} + \dfrac{C_2}{4}(2x + 5) y ( x ) = C 1 e 2 x + 4 C 2 ( 2 x + 5 ) ,其中 C 1 , C 2 C_1, C_2 C 1 , C 2 为任意常数。
(2)幂级数解法
定理: 若方程 y ′ ′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = 0 y'' + p_1(x)y' + p_2(x)y = 0 y ′′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = 0 的系数 p 1 ( x ) , p 2 ( x ) p_1(x), p_2(x) p 1 ( x ) , p 2 ( x ) 在点 x = 0 x = 0 x = 0 处于区间 ( − R , R ) (-R, R) ( − R , R ) 内可展成幂级数,则该方程在 ( − R , R ) (-R, R) ( − R , R ) 内有幂级数解
y ( x ) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + ⋯ + a n x n + ⋯ , − R < x < R y(x) = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \cdots + a_n x^n + \cdots, -R < x < R
y ( x ) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + ⋯ + a n x n + ⋯ , − R < x < R
常系数齐次线性微分方程:
在二阶齐次线性方程 y ′ ′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = 0 y'' + p_1(x)y' + p_2(x)y = 0 y ′′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = 0 中,如果 y ′ , y y', y y ′ , y 的系数 p 1 ( x ) p_1(x) p 1 ( x ) 和 p 2 ( x ) p_2(x) p 2 ( x ) 均为常数,即
y ′ ′ + p 1 y ′ + p 2 y = 0 y'' + p_1 y' + p_2 y = 0
y ′′ + p 1 y ′ + p 2 y = 0
其中 p 1 , p 2 p_1, p_2 p 1 , p 2 为常数,则称该方程为二阶常系数齐次线性微分方程 ;否则,称其为二阶变系数齐次线性微分方程 。
因为该方程关于 y , y ′ , y ′ ′ y, y', y'' y , y ′ , y ′′ 是齐次式,可设 y = e α x y = \mathrm{e}^{\alpha x} y = e αx 为方程的解,其中 α \alpha α 为待定常数。
将上式代入原方程中得
e α x ( α 2 + p 1 α + p 2 ) ≡ 0 \mathrm{e}^{\alpha x}(\alpha^2 + p_1 \alpha + p_2) \equiv 0
e αx ( α 2 + p 1 α + p 2 ) ≡ 0
因为 e α x ≠ 0 \mathrm{e}^{\alpha x} \neq 0 e αx = 0 ,所以
α 2 + p 1 α + p 2 = 0 \alpha^2 + p_1 \alpha + p_2 = 0
α 2 + p 1 α + p 2 = 0
称 α 2 + p 1 α + p 2 = 0 \alpha^2 + p_1 \alpha + p_2 = 0 α 2 + p 1 α + p 2 = 0 为常系数齐次线性微分方程的特征方程 ,该方程的根为特征根 。
特征方程的特征根分为以下情况:
若特征方程有两个互异实根 α 1 , α 2 \alpha_1, \alpha_2 α 1 , α 2 ,即 p 1 2 − 4 p 2 > 0 p_1^2 - 4p_2 > 0 p 1 2 − 4 p 2 > 0 ,则原方程的通解为
y ( x ) = C 1 e α 1 x + C 2 e α 2 x y(x) = C_1 \mathrm{e}^{\alpha_1 x} + C_2 \mathrm{e}^{\alpha_2 x}
y ( x ) = C 1 e α 1 x + C 2 e α 2 x
若特征方程有一对共轭复数根 α ± i β \alpha \pm \mathrm{i}\beta α ± i β ,即 p 1 2 − 4 p 2 < 0 p_1^2 - 4p_2 < 0 p 1 2 − 4 p 2 < 0 ,则原方程的通解为
y ( x ) = C 1 e α x cos β x + C 2 e α x sin β x = e α x ( C 1 cos β x + C 2 sin β x ) y(x) = C_1 \mathrm{e}^{\alpha x} \cos\beta x + C_2 \mathrm{e}^{\alpha x} \sin\beta x = \mathrm{e}^{\alpha x}(C_1 \cos\beta x + C_2 \sin\beta x)
y ( x ) = C 1 e αx cos β x + C 2 e αx sin β x = e αx ( C 1 cos β x + C 2 sin β x )
若特征方程有重根 α 1 = α 2 = α \alpha_1 = \alpha_2 = \alpha α 1 = α 2 = α ,即 p 1 2 − 4 p 2 = 0 p_1^2 - 4p_2 = 0 p 1 2 − 4 p 2 = 0 ,则原方程的通解为
y ( x ) = C 1 e α x + C 2 x e α x = ( C 1 + C 2 x ) e α x y(x) = C_1 \mathrm{e}^{\alpha x} + C_2 x\mathrm{e}^{\alpha x} = (C_1 + C_2 x)\mathrm{e}^{\alpha x}
y ( x ) = C 1 e αx + C 2 x e αx = ( C 1 + C 2 x ) e αx
上述二阶常系数齐次线性微分方程的求解方法也适用于 n ( n > 2 ) n\ (n > 2) n ( n > 2 ) 阶常系数齐次线性微分方程
y ( n ) + p 1 y ( n − 1 ) + ⋯ + p n − 1 y ′ + p n y = 0 y^{(n)} + p_1 y^{(n - 1)} + \cdots + p_{n - 1} y' + p_n y = 0
y ( n ) + p 1 y ( n − 1 ) + ⋯ + p n − 1 y ′ + p n y = 0
其中 p 1 , p 2 , ⋯ , p n p_1, p_2, \cdots, p_n p 1 , p 2 , ⋯ , p n 为常数。对应的特征方程
α n + p 1 α n − 1 + ⋯ + p n − 1 α + p n = 0 \alpha^n + p_1 \alpha^{n - 1} + \cdots + p_{n - 1} \alpha + p_n = 0
α n + p 1 α n − 1 + ⋯ + p n − 1 α + p n = 0
的特征根 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 分为以下情况:
特征根都是单根,且都是实数,则方程的通解为
y ( x ) = C 1 e α 1 x + C 2 e α 2 x + ⋯ + C n e α n x y(x) = C_1 \mathrm{e}^{\alpha_1 x} + C_2 \mathrm{e}^{\alpha_2 x} + \cdots + C_n \mathrm{e}^{\alpha_n x}
y ( x ) = C 1 e α 1 x + C 2 e α 2 x + ⋯ + C n e α n x
特征根都是单根,但其中有复根,则复根应成对出现。不妨设 α 1 = α + i β , α 2 = α − i β \alpha_1 = \alpha + \mathrm{i}\beta, \alpha_2 = \alpha - \mathrm{i}\beta α 1 = α + i β , α 2 = α − i β 是共轭复根,其余的 α 3 , α 4 , ⋯ , α n \alpha_3, \alpha_4, \cdots, \alpha_n α 3 , α 4 , ⋯ , α n 为实根,则方程的通解为
y ( x ) = C 1 e α x cos β x + C 2 e α x sin β x + C 3 e α 3 x + ⋯ + C n e α n x y(x) = C_1 \mathrm{e}^{\alpha x}\cos{\beta x} + C_2 \mathrm{e}^{\alpha x}\sin{\beta x} + C_3 \mathrm{e}^{\alpha_3 x} + \cdots + C_n \mathrm{e}^{\alpha_n x}
y ( x ) = C 1 e αx cos β x + C 2 e αx sin β x + C 3 e α 3 x + ⋯ + C n e α n x
特征根中有重根,设 α 1 = α 2 = ⋯ = α k \alpha_1 = \alpha_2 = \cdots = \alpha_k α 1 = α 2 = ⋯ = α k 是 k k k 重根,α k + 1 , ⋯ , α n \alpha_{k + 1}, \cdots, \alpha_n α k + 1 , ⋯ , α n 是单根,则方程的通解为
y ( x ) = ( C 1 + C 2 x + ⋯ + C k x k − 1 ) e α 1 x + C k + 1 e α k + 1 x + ⋯ + C n e α n x y(x) = (C_1 + C_2 x + \cdots + C_k x^{k - 1})\mathrm{e}^{\alpha_1 x} + C_{k + 1} \mathrm{e}^{\alpha_{k + 1} x} + \cdots + C_n \mathrm{e}^{\alpha_n x}
y ( x ) = ( C 1 + C 2 x + ⋯ + C k x k − 1 ) e α 1 x + C k + 1 e α k + 1 x + ⋯ + C n e α n x
高阶非齐次线性微分方程
通解的结构:
定理: 若函数 y ∗ ( x ) y^*(x) y ∗ ( x ) 是二阶非齐次线性微分方程 y ′ ′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = f ( x ) y'' + p_1(x)y' + p_2(x)y = f(x) y ′′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = f ( x ) 的一个特解,函数 Y ( x ) Y(x) Y ( x ) 是该方程对应的齐次方程 y ′ ′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = 0 y'' + p_1(x)y' + p_2(x)y = 0 y ′′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = 0 的通解,则函数
y ( x ) = Y ( x ) + y ∗ ( x ) y(x) = Y(x) + y^*(x)
y ( x ) = Y ( x ) + y ∗ ( x )
是该方程的通解。
此定理说明二阶非齐次线性微分方程的通解等于其对应的齐次方程的通解与其一个特解 之和。
此结论也可以推广到 n ( n > 2 ) n\ (n > 2) n ( n > 2 ) 阶非齐次线性微分方程。
叠加原理: 设二阶非齐次线性微分方程的右端项 f ( x ) f(x) f ( x ) 是两个函数之和,即
y ′ ′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = f 1 ( x ) + f 2 ( x ) y'' + p_1(x)y' + p_2(x)y = f_1(x) + f_2(x)
y ′′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = f 1 ( x ) + f 2 ( x )
而函数 y 1 ∗ ( x ) y_1^*(x) y 1 ∗ ( x ) 与 y 2 ∗ ( x ) y_2^*(x) y 2 ∗ ( x ) 分别是方程
y ′ ′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = f 1 ( x ) , y ′ ′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = f 2 ( x ) y'' + p_1(x)y' + p_2(x)y = f_1(x), \quad y'' + p_1(x)y' + p_2(x)y = f_2(x)
y ′′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = f 1 ( x ) , y ′′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = f 2 ( x )
的特解,则函数 y 1 ∗ ( x ) + y 2 ∗ ( x ) y_1^*(x) + y_2^*(x) y 1 ∗ ( x ) + y 2 ∗ ( x ) 是原方程的特解。
通解的求法:
设二阶非齐次线性微分方程 y ′ ′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = f ( x ) y'' + p_1(x)y' + p_2(x)y = f(x) y ′′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = f ( x ) 对应的齐次方程 y ′ ′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = 0 y'' + p_1(x)y' + p_2(x)y = 0 y ′′ + p 1 ( x ) y ′ + p 2 ( x ) y = 0 的通解为
Y ( x ) = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) Y(x) = C_1 y_1(x) + C_2 y_2(x)
Y ( x ) = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x )
利用常数变易法,设二阶非齐次线性微分方程有解
y ( x ) = C 1 ( x ) y 1 ( x ) + C 2 ( x ) y 2 ( x ) y(x) = C_1(x) y_1(x) + C_2(x) y_2(x)
y ( x ) = C 1 ( x ) y 1 ( x ) + C 2 ( x ) y 2 ( x )
选择 C 1 ( x ) , C 2 ( x ) C_1(x), C_2(x) C 1 ( x ) , C 2 ( x ) 使得
C 1 ′ ( x ) y 1 ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ( x ) = 0 C_1'(x) y_1(x) + C_2'(x) y_2(x) = 0
C 1 ′ ( x ) y 1 ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ( x ) = 0
此时有
C 1 ′ ( x ) y 1 ′ ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ′ ( x ) = f ( x ) C_1'(x) y_1'(x) + C_2'(x) y_2'(x) = f(x)
C 1 ′ ( x ) y 1 ′ ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ′ ( x ) = f ( x )
则二阶非齐次线性微分方程的通解 为
y ( x ) = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) − y 1 ( x ) ∫ y 2 ( x ) f ( x ) W ( x ) d x + y 2 ( x ) ∫ y 1 ( x ) f ( x ) W ( x ) d x y(x) = C_1 y_1(x) + C_2 y_2(x) - y_1(x) \int\frac{y_2(x)f(x)}{W(x)}\mathrm{d}x + y_2(x) \int\frac{y_1(x)f(x)}{W(x)}\mathrm{d}x
y ( x ) = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) − y 1 ( x ) ∫ W ( x ) y 2 ( x ) f ( x ) d x + y 2 ( x ) ∫ W ( x ) y 1 ( x ) f ( x ) d x
其中 W ( x ) W(x) W ( x ) 为系数行列式
W ( x ) = ∣ y 1 ( x ) y 2 ( x ) y 1 ′ ( x ) y 2 ′ ( x ) ∣ ≠ 0 W(x) = \begin{vmatrix} y_1(x) & y_2(x) \\ y_1'(x) & y_2'(x) \end{vmatrix} \neq 0
W ( x ) = y 1 ( x ) y 1 ′ ( x ) y 2 ( x ) y 2 ′ ( x ) = 0
对于一般的 n ( n > 2 ) n\ (n > 2) n ( n > 2 ) 阶非齐次线性微分方程,有相同的求解方法。若
Y ( x ) = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) + ⋯ + C n y n ( x ) Y(x) = C_1 y_1(x) + C_2 y_2(x) + \cdots + C_n y_n(x)
Y ( x ) = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) + ⋯ + C n y n ( x )
为方程所对应的齐次方程的通解,其中 C 1 , C 2 , ⋯ , C n C_1, C_2, \cdots, C_n C 1 , C 2 , ⋯ , C n 是任意常数。利用常数变易法,设原方程有解
y ( x ) = C 1 ( x ) y 1 ( x ) + C 2 ( x ) y 2 ( x ) + ⋯ + C n y n ( x ) y(x) = C_1(x) y_1(x) + C_2(x) y_2(x) + \cdots + C_n y_n(x)
y ( x ) = C 1 ( x ) y 1 ( x ) + C 2 ( x ) y 2 ( x ) + ⋯ + C n y n ( x )
可确定 C 1 ( x ) , C 2 ( x ) , ⋯ , C n ( x ) C_1(x), C_2(x), \cdots, C_n(x) C 1 ( x ) , C 2 ( x ) , ⋯ , C n ( x ) 应满足下列 n n n 个方程
{ C 1 ′ ( x ) y 1 ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ( x ) + ⋯ + C n ′ ( x ) y n ( x ) = 0 , C 1 ′ ( x ) y 1 ′ ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ′ ( x ) + ⋯ + C n ′ ( x ) y n ′ ( x ) = 0 , ⋯ C 1 ′ ( x ) y 1 ( n − 2 ) ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ( n − 2 ) ( x ) + ⋯ + C n ′ ( x ) y n ( n − 2 ) ( x ) = 0 , C 1 ′ ( x ) y 1 ( n − 1 ) ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ( n − 1 ) ( x ) + ⋯ + C n ′ ( x ) y n ( n − 1 ) ( x ) = 0 , \begin{cases}
C_1'(x) y_1(x) + C_2'(x) y_2(x) + \cdots + C_n'(x) y_n(x) = 0, \\
C_1'(x) y_1'(x) + C_2'(x) y_2'(x) + \cdots + C_n'(x) y_n'(x) = 0, \\
\cdots \\
C_1'(x) y_1^{(n - 2)}(x) + C_2'(x) y_2^{(n - 2)}(x) + \cdots + C_n'(x) y_n^{(n - 2)}(x) = 0, \\
C_1'(x) y_1^{(n - 1)}(x) + C_2'(x) y_2^{(n - 1)}(x) + \cdots + C_n'(x) y_n^{(n - 1)}(x) = 0, \\
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ C 1 ′ ( x ) y 1 ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ( x ) + ⋯ + C n ′ ( x ) y n ( x ) = 0 , C 1 ′ ( x ) y 1 ′ ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ′ ( x ) + ⋯ + C n ′ ( x ) y n ′ ( x ) = 0 , ⋯ C 1 ′ ( x ) y 1 ( n − 2 ) ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ( n − 2 ) ( x ) + ⋯ + C n ′ ( x ) y n ( n − 2 ) ( x ) = 0 , C 1 ′ ( x ) y 1 ( n − 1 ) ( x ) + C 2 ′ ( x ) y 2 ( n − 1 ) ( x ) + ⋯ + C n ′ ( x ) y n ( n − 1 ) ( x ) = 0 ,
它是关于变量 C i ′ ( x ) ( i = 1 , 2 , ⋯ , n ) C_i'(x)\ (i = 1, 2, \cdots, n) C i ′ ( x ) ( i = 1 , 2 , ⋯ , n ) 的线性方程组,解出 C i ′ ( x ) C_i'(x) C i ′ ( x ) 后再积分便得 C i ( x ) C_i(x) C i ( x ) ,代入 y ( x ) = C 1 ( x ) y 1 ( x ) + C 2 ( x ) y 2 ( x ) + ⋯ + C n y n ( x ) y(x) = C_1(x) y_1(x) + C_2(x) y_2(x) + \cdots + C_n y_n(x) y ( x ) = C 1 ( x ) y 1 ( x ) + C 2 ( x ) y 2 ( x ) + ⋯ + C n y n ( x ) 即可得到非齐次线性微分方程的通解。
常系数非齐次线性微分方程:
1. f ( x ) = R m ( x ) e λ x f(x) = R_m(x)\mathrm{e}^{\lambda x} f ( x ) = R m ( x ) e λ x 型: 方程
y ′ ′ + p 1 y ′ + p 2 y = R m ( x ) e λ x y'' +p_1 y' + p_2 y = R_m(x)\mathrm{e}^{\lambda x}
y ′′ + p 1 y ′ + p 2 y = R m ( x ) e λ x
具有形如
y ∗ ( x ) = x k Q m ( x ) e λ x y^*(x) = x^k Q_m(x)\mathrm{e}^{\lambda x}
y ∗ ( x ) = x k Q m ( x ) e λ x
的特解,其中 Q m ( x ) Q_m(x) Q m ( x ) 是与 R m ( x ) R_m(x) R m ( x ) 同次的多项式,且
Q m ′ ′ ( x ) + ( 2 λ + p 1 ) Q m ′ ( x ) + ( λ 2 + p 1 λ + p 2 ) Q m ( x ) ≡ R m ( x ) Q_m''(x) + (2\lambda + p_1)Q_m'(x) + (\lambda^2 + p_1\lambda + p_2)Q_m(x) \equiv R_m(x)
Q m ′′ ( x ) + ( 2 λ + p 1 ) Q m ′ ( x ) + ( λ 2 + p 1 λ + p 2 ) Q m ( x ) ≡ R m ( x )
而 k k k 按 λ \lambda λ 不是特征方程 α 2 + p 1 α + p 2 = 0 \alpha^2 + p_1\alpha + p_2 = 0 α 2 + p 1 α + p 2 = 0 的根、是单根和是二重根依次取为 0 , 1 , 2 0, 1, 2 0 , 1 , 2 .
2. f ( x ) = e λ x [ R l ( x ) cos ω x + R n ( x ) sin ω x ] f(x) = \mathrm{e}^{\lambda x}[R_l(x)\cos{\omega x} + R_n(x)\sin{\omega x}] f ( x ) = e λ x [ R l ( x ) cos ω x + R n ( x ) sin ω x ] 型: 方程
y ′ ′ + p 1 y ′ + p 2 y = e λ x [ R l ( x ) cos ω x + R n ( x ) sin ω x ] y'' + p_1 y' + p_2 y = \mathrm{e}^{\lambda x}[R_l(x)\cos{\omega x} + R_n(x)\sin{\omega x}]
y ′′ + p 1 y ′ + p 2 y = e λ x [ R l ( x ) cos ω x + R n ( x ) sin ω x ]
具有形如
y ∗ ( x ) = x k e λ x [ Q m ′ ( x ) cos ω x + Q m ′ ′ ( x ) sin ω x ] y^*(x) = x^k \mathrm{e}^{\lambda x}[Q_m'(x)\cos{\omega x} + Q_m''(x)\sin{\omega x}]
y ∗ ( x ) = x k e λ x [ Q m ′ ( x ) cos ω x + Q m ′′ ( x ) sin ω x ]
的特解,其中 Q m ′ ( x ) , Q m ′ ′ ( x ) Q_m'(x), Q_m''(x) Q m ′ ( x ) , Q m ′′ ( x ) 是 m m m 次多项式,m = max l , n m = \max{l, n} m = max l , n ,而 k k k 按 λ ± i ω \lambda \pm \mathrm{i}\omega λ ± i ω 不是特征方程 α 2 + p 1 α + p 2 = 0 \alpha^2 + p_1\alpha + p_2 = 0 α 2 + p 1 α + p 2 = 0 的根、是单根和是二重根依次取为 0 , 1 , 2 0, 1, 2 0 , 1 , 2 .
欧拉方程
欧拉方程是一种特殊的变系数线性微分方程,其形式如下
x n y ( n ) + p 1 x n − 1 y ( n − 1 ) + ⋯ + p n − 1 x y ′ + p n y = f ( x ) x^n y^{(n)} + p_1 x^{n - 1} y^{(n - 1)} + \cdots + p_{n - 1} xy' + p_n y = f(x)
x n y ( n ) + p 1 x n − 1 y ( n − 1 ) + ⋯ + p n − 1 x y ′ + p n y = f ( x )
其中 p 1 , p 2 , ⋯ , p n p_1, p_2, \cdots, p_n p 1 , p 2 , ⋯ , p n 为常数,f ( x ) f(x) f ( x ) 为已知函数。该方程可经变换化成常系数线性微分方程,因而容易求解。
转化方式: 令 x = e t x = \mathrm{e}^t x = e t ,即 t = ln x t = \ln{x} t = ln x ,注意到
d y d x = 1 x d y d t d 2 y d x 2 = 1 x 2 ( d 2 y d t 2 − d y d t ) , d 3 y d x 3 = 1 x 3 ( d 3 y d t 3 − 3 d 2 y d t 2 + 2 d y d t ) \begin{aligned}
\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} &= \frac{1}{x}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\\
\frac{\mathrm{d}^2 y}{\mathrm{d}x^2} &= \frac{1}{x^2}\left( \frac{\mathrm{d}^2 y}{\mathrm{d}t^2} - \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \right),\\
\frac{\mathrm{d}^3 y}{\mathrm{d}x^3} &= \frac{1}{x^3}\left( \frac{\mathrm{d}^3 y}{\mathrm{d}t^3} - 3\frac{\mathrm{d}^2 y}{\mathrm{d}t^2} + 2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \right)
\end{aligned} d x d y d x 2 d 2 y d x 3 d 3 y = x 1 d t d y = x 2 1 ( d t 2 d 2 y − d t d y ) , = x 3 1 ( d t 3 d 3 y − 3 d t 2 d 2 y + 2 d t d y )
如果用 D D D 表示对 t t t 的求导运算符号,即 D = d d t D = \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} D = d t d ,则有
x y ′ = D y , x 2 y ′ ′ = ( D 2 − D ) y , x 3 y ′ ′ ′ = ( D 3 − 3 D 2 + 2 D ) y = D ( D − 1 ) ( D − 2 ) y \begin{aligned}
xy' &= Dy,\\
x^2 y'' &= (D^2 - D)y,\\
x^3 y''' &= (D^3 - 3D^2 + 2D)y = D(D - 1)(D - 2)y
\end{aligned} x y ′ x 2 y ′′ x 3 y ′′′ = Dy , = ( D 2 − D ) y , = ( D 3 − 3 D 2 + 2 D ) y = D ( D − 1 ) ( D − 2 ) y
一般地,有
x n y ( n ) = D ( D − 1 ) ( D − 2 ) ⋯ ( D − ( n − 1 ) ) y x^n y^{(n)} = D(D - 1)(D - 2) \cdots (D - (n - 1))y
x n y ( n ) = D ( D − 1 ) ( D − 2 ) ⋯ ( D − ( n − 1 )) y
因此,欧拉方程可化为
D ( D − 1 ) ( D − 2 ) ⋯ ( D − ( n − 1 ) ) y + p 1 D ( D − 1 ) ( D − 2 ) ⋯ ( D − ( n − 2 ) ) y + ⋯ + p n − 1 D y + p n y = f ( e t ) D(D - 1)(D - 2) \cdots (D - (n - 1))y + p_1 D(D - 1)(D - 2)\\
\cdots (D - (n - 2))y + \cdots + p_{n - 1} Dy + p_n y = f(\mathrm{e}^t) D ( D − 1 ) ( D − 2 ) ⋯ ( D − ( n − 1 )) y + p 1 D ( D − 1 ) ( D − 2 ) ⋯ ( D − ( n − 2 )) y + ⋯ + p n − 1 Dy + p n y = f ( e t )
例:将微分方程 x 3 y ′ ′ ′ + x 2 y ′ ′ − 4 x y ′ = x 3 x^3 y''' + x^2 y'' - 4xy' = x^3 x 3 y ′′′ + x 2 y ′′ − 4 x y ′ = x 3 转换为常系数线性微分方程。
解:令 x = e t x = \mathrm{e}^t x = e t ,原方程可以化为
D ( D − 1 ) ( D − 2 ) y + D ( D − 1 ) y − 4 D y = e 3 t ( D 3 − 2 D 2 − 3 D ) y = e 3 t \begin{aligned}
D(D - 1)(D - 2)y + D(D - 1)y - 4Dy &= \mathrm{e}^{3t}\\
(D^3 - 2D^2 - 3D)y &= \mathrm{e}^{3t}
\end{aligned} D ( D − 1 ) ( D − 2 ) y + D ( D − 1 ) y − 4 Dy ( D 3 − 2 D 2 − 3 D ) y = e 3 t = e 3 t
即
d 3 y d t 3 − 2 d 2 y d t 2 − 3 d y d t = e 3 t \frac{\mathrm{d}^3 y}{\mathrm{d}t^3} - 2\frac{\mathrm{d}^2 y}{\mathrm{d}t^2} - 3\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = \mathrm{e}^{3t}
d t 3 d 3 y − 2 d t 2 d 2 y − 3 d t d y = e 3 t