Skip to main content

常数变易法

常数变易法(Variation of Constants / Variation of Parameters)是求解非齐次线性方程组 X=A(t)X+f(t)X' = A(t)X + f(t) 的通用方法——将齐次通解中的常数向量改为待定函数向量。

核心思想

已知齐次方程的基解矩阵 Φ(t)\Phi(t),齐次通解为 Xh=Φ(t)CX_h = \Phi(t)C。对非齐次方程,设:

X(t)=Φ(t)C(t)X(t) = \Phi(t) \cdot C(t)

其中 C(t)C(t) 是待定的向量函数("常数变易")。

推导

代入 X=A(t)X+f(t)X' = A(t)X + f(t)

Φ(t)C(t)+Φ(t)C(t)=A(t)Φ(t)C(t)+f(t)\Phi'(t)C(t) + \Phi(t)C'(t) = A(t)\Phi(t)C(t) + f(t)

Φ(t)=A(t)Φ(t)\Phi'(t) = A(t)\Phi(t)(每列都是齐次方程的解),Φ(t)C=AΦC\Phi'(t)C = A\Phi C,上式化简为:

Φ(t)C(t)=f(t)\Phi(t)C'(t) = f(t)

因此:

C(t)=Φ1(t)f(t)C'(t) = \Phi^{-1}(t) f(t)

C(t)=t0tΦ1(s)f(s)ds+KC(t) = \int_{t_0}^{t} \Phi^{-1}(s) f(s)\,ds + K

常数变易公式

非齐次通解公式X(t)=Φ(t)K+Φ(t)t0tΦ1(s)f(s)dsX(t) = \Phi(t)K + \Phi(t)\int_{t_0}^{t} \Phi^{-1}(s) f(s)\,ds

其中第一项为齐次通解,第二项为非齐次特解(K=0K = 0 时满足零初值条件)。

带初值的形式:若 X(t0)=X0X(t_0) = X_0,则 X(t)=Φ(t)Φ1(t0)X0+Φ(t)t0tΦ1(s)f(s)dsX(t) = \Phi(t)\Phi^{-1}(t_0)X_0 + \Phi(t)\int_{t_0}^{t} \Phi^{-1}(s) f(s)\,ds

常系数情形

AA 为常数矩阵时,Φ(t)=eAt\Phi(t) = e^{At}。常数变易公式简化为:

X(t)=eAtK+eAtt0teAsf(s)dsX(t) = e^{At}K + e^{At}\int_{t_0}^{t} e^{-As} f(s)\,ds

或更紧凑地:

X(t)=eA(tt0)X0+t0teA(ts)f(s)dsX(t) = e^{A(t-t_0)}X_0 + \int_{t_0}^{t} e^{A(t-s)} f(s)\,ds

标量情形的常数变易法

对于标量 nn 阶线性方程:

y(n)+an1y(n1)++a0y=f(x)y^{(n)} + a_{n-1}y^{(n-1)} + \cdots + a_0y = f(x)

已知齐次通解 yh=C1y1++Cnyny_h = C_1 y_1 + \cdots + C_n y_n,设非齐次特解:

yp=u1(x)y1++un(x)yny_p = u_1(x)y_1 + \cdots + u_n(x)y_n

其中 ui(x)u_i'(x) 满足:

y_1 & y_2 & \cdots & y_n \\ y_1' & y_2' & \cdots & y_n' \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ y_1^{(n-1)} & y_2^{(n-1)} & \cdots & y_n^{(n-1)} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} u_1' \\ u_2' \\ \vdots \\ u_n' \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ \vdots \\ f(x) \end{pmatrix}$$ 即 Wronskian 矩阵 × $(u_i') = (0, \ldots, 0, f)^\top$。 ## 二阶标量方程的常数变易公式 对于 $y'' + p(x)y' + q(x)y = f(x)$,已知齐次的两个线性无关解 $y_1, y_2$: $$y_p = -y_1 \int \frac{y_2 f}{W} dx + y_2 \int \frac{y_1 f}{W} dx$$ 其中 $W = y_1 y_2' - y_2 y_1'$ 是 Wronskian。 ## 举例 求解 $y'' + y = \tan x$。 齐次解:$y_1 = \cos x$,$y_2 = \sin x$。$W = \cos^2 x + \sin^2 x = 1$。 $$y_p = -\cos x \int \frac{\sin x \tan x}{1} dx + \sin x \int \frac{\cos x \tan x}{1} dx$$ $$= -\cos x \int \frac{\sin^2 x}{\cos x} dx + \sin x \int \sin x \, dx$$ $$= -\cos x \left( \int (\sec x - \cos x) dx \right) - \sin x \cos x$$ $$= \cos x \cdot \ln|\cos x| - \cos x (-\sin x) - \sin x \cos x$$ 最终特解 $y_p = \cos x \cdot \ln|\cos x|$。 通解:$y = C_1 \cos x + C_2 \sin x + \cos x \ln|\cos x|$。