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) 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),齐次通解为 Xh=Φ(t)C。对非齐次方程,设:
X(t)=Φ(t)⋅C(t)
其中 C(t) 是待定的向量函数("常数变易")。
代入 X′=A(t)X+f(t):
Φ′(t)C(t)+Φ(t)C′(t)=A(t)Φ(t)C(t)+f(t)
由 Φ′(t)=A(t)Φ(t)(每列都是齐次方程的解),Φ′(t)C=AΦC,上式化简为:
Φ(t)C′(t)=f(t)
因此:
C′(t)=Φ−1(t)f(t)
C(t)=∫t0tΦ−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)∫t0tΦ−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=0 时满足零初值条件)。
带初值的形式:若 X(t0)=X0,则
X(t)=Φ(t)Φ−1(t0)X0+Φ(t)∫t0tΦ−1(s)f(s)ds
常系数情形
当 A 为常数矩阵时,Φ(t)=eAt。常数变易公式简化为:
X(t)=eAtK+eAt∫t0te−Asf(s)ds
或更紧凑地:
X(t)=eA(t−t0)X0+∫t0teA(t−s)f(s)ds
标量情形的常数变易法
对于标量 n 阶线性方程:
y(n)+an−1y(n−1)+⋯+a0y=f(x)
已知齐次通解 yh=C1y1+⋯+Cnyn,设非齐次特解:
yp=u1(x)y1+⋯+un(x)yn
其中 ui′(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:$y = C_1 \cos x + C_2 \sin x + \cos x \ln|\cos x|$。