第五章 线性微分方程组
第五章 线性微分方程组
来源:课堂讲义《5.0 / 5.1.1 / 5.1.2 / 第五章-2 / 第五章-3》 笔记由课堂 PDF 整理,公式按数学含义重建;模糊处标
[?]待校对。
章节结构
- §5.0 线性微分方程组解的存在唯一性定理
- §5.1 线性微分方程组的一般理论(齐次/非齐次)
- §5.2 常系数线性微分方程组(矩阵指数法)
- §5.3 拉普拉斯变换
§5.0 线性微分方程组解的存在唯一性定理
记号与定义
一阶微分方程组:
初值条件:。
一阶线性微分方程组:
其中 在 上连续。
矩阵向量形式:令
则
矩阵与向量函数:连续/可微/可积均按分量定义。运算性质:
定义 1:设 是区间 上的连续 矩阵, 是 维连续向量,则方程组 (5.4) 的解就是向量 在区间 上连续且满足 。
定义 2(初值问题):Cauchy 问题
的解就是方程组 (5.4) 在包含 的区间 上的解 ,使得 。
例 1:验证 是初值问题 在 上的解。
n 阶线性微分方程与一阶线性微分方程组等价
例:二阶方程 令 ,化为
一般地, 阶线性方程 令 ,化为
例 2:将初值问题 [?] 化为一阶方程组初值问题。
解:令 ,得 ,。
例 3:将方程组 [?] 化为高阶方程。
解:由 消去,得 。注意:不是所有方程组都可化为高阶方程。
存在唯一性定理
定理 1:如果 是 矩阵, 是 维列向量,它们都在区间 上连续,则对于区间上的任何数 及任一常数向量 ,方程组 (5.5) 存在唯一解 ,定义于整个区间 上,且满足初始条件 。
证明思路(与第三章类似,逐次逼近法):
- 初值问题等价于积分方程
- 构造 Picard 迭代向量函数序列 ,
- 证明序列在 上一致收敛(Weierstrass 判别法,利用 有界)
- 极限是积分方程的连续解,即微分方程的解
- 唯一性:设另一解 ,令 ,用 Gronwall 型不等式证明
例 4:求方程组初值问题的二次近似解()[?],得 [?]。
简单方程组的消元法
例 5:求解方程组 。
解:保留 ,由第一式 ,代入消元得 [?],解得 [?],代回得 ,整理得方程组的解。
校对点
例 5 讲义结论为 形式,消元细节请对照原讲义 p42。
例 6:求解方程组 [?]
解:消去 得 ,令 降阶:,即 ,积分得 [?]...(讲义结论: 与 )
校对点
例 6 讲义原文:由 得 ,;另有 情形 。请对照原讲义 p44。
作业(5.0):p123:1(1、2)、2(1、2、3)、3
§5.1 线性微分方程组的一般理论
一阶线性微分方程组:
其中 在 上连续。若 ,则称
为一阶齐线性微分方程组;否则称 (5.4) 为非齐线性微分方程组。
一、齐次线性微分方程组
定理 1(叠加原理):如果 是方程组 (5.8) 的 个解,则它们的线性组合 也是 (5.8) 的解,其中 是任常数。
定义(向量函数组线性相关/无关):设 是定义在 上的向量函数,若存在不全为零的常数 ,使对所有 有 ,则称线性相关;否则线性无关。
例 1: 在任何区间线性相关(取 时第一分量 不恒为零,但 分量与第二分量抵消[?],讲义取 非恒定常数——原文例证有误,以线性组合定义为准)。
例 2:[?] 在 上线性无关(其 Wronsky 行列式 )。
Wronsky 行列式
个 维向量函数构成的行列式
称为这 个向量函数构成的 Wronsky 行列式。
定理 2:如果向量函数 在 上线性相关,则它们的 Wronsky 行列式 ()。
定理 3:如果 (5.8) 的解 线性无关,则它们的 Wronsky 行列式 ()。
证明(反证):若存在 使 ,则数值向量组线性相关,存在不全为零常数使 ;由叠加原理 是 (5.8) 的解且 ,由存在唯一性定理 ,与线性无关矛盾。
注 1:(5.8) 的 个解线性相关 () 注 2:(5.8) 的 个解线性无关 () 即 (5.8) 的 个解构成的 Wronsky 行列式或者恒等于零,或者恒不等于零。
定理 4:(5.8) 一定存在 个线性无关的解(取满足特殊单位初始条件的 组解,)。
通解结构及基本解组
定理 5:如果 是 (5.8) 的 个线性无关的解,则 (5.8) 的任一解均可表为
其中 是相应的确定常数。
推论 1:(5.8) 的线性无关解的最大个数等于 。
基本解组:(5.8) 的 个线性无关解为 (5.8) 的一个基本解组。
- 注 1:基本解组不唯一
- 注 2:(5.8) 所有解的集合构成一个 维线性空间
- 注 3:由 n 阶方程初值问题与方程组初值问题的等价性,本章定理可平行推到 n 阶线性微分方程
推论 2: 阶微分方程 ( 在 上连续)若有 个线性无关解,则任一解可表为其线性组合。
解矩阵、基解矩阵及性质
定义:如果一个 矩阵的每一列都是 (5.8) 的解,则称这个矩阵为 (5.8) 的解矩阵;如果该矩阵的列在 上是 (5.8) 的线性无关解组,则称其为 (5.8) 的基解矩阵。以基本解组为列构成的矩阵 。
定理 6:(5.8) 一定存在一个基解矩阵;如果 是 (5.8) 的基解矩阵,那么 (5.8) 的任一解 可表为
其中 是确定的 维常向量。
定理 7: 是 (5.8) 的基解矩阵的充要条件是:,且存在 使 (此时 对所有 成立)。
推论 1:如果 是 (5.8) 在 上的基解矩阵, 是非奇异常数矩阵,那么 也是基解矩阵。
推论 2:如果 是 (5.8) 的两个基解矩阵,则存在非奇异常数矩阵 ,使 。
例 3:验证 是 的基解矩阵。
解:,且 ,故是基解矩阵。
例 4:验证 是 的基解矩阵,并求其通解。
解:,且每列 代入可验证是解。通解 。
作业(5.1.1):p123:4、5、6、7、8
二、非齐次线性微分方程组
性质 1:如果 是 (5.4) 的解, 是对应齐次方程组 (5.8) 的解,则 是 (5.4) 的解。
性质 2:如果 是 (5.4) 的两个解,则 是 (5.8) 的解。
性质 3:设 ,且 是 的解,则 是 (5.4) 的解。
定理 8(通解结构):设 是 (5.8) 的基解矩阵, 是 (5.4) 的某一解,则 (5.4) 的任一解可表为
其中 是确定的常数列向量。
常数变易公式
设 是 (5.8) 的基解矩阵,则 (5.8) 的通解为 。寻求 (5.4) 形如
的解,代入 (5.4) 得 ,从 积分并取 ,得
定理 9:如果 是 (5.8) 的基解矩阵,则:
- 向量函数 是 (5.4) 的解,且满足初始条件
- 方程组 (5.4) 的通解为
注 1:满足初始条件 的解为
注 2:公式 (5.19) 或 (5.20) 称为 (5.4) 的常数变易公式。
例 6:求初值问题 [?] 的解。
解:由例 3 基解矩阵 ,,代入常数变易公式计算得
校对点
例 6 讲义最终答案 [?],积分细节请对照原讲义 p7。
n 阶线性微分方程的常数变易公式
设 是 (5.21) 对应齐次方程的基本解组,则非齐方程 (5.21) 满足零初始条件 的解为
公式 (5.22) 称为 (5.21) 的常数变易公式。方程 (5.21) 的通解为
时的常数变易公式:
通解 。
例 7:求方程 的一个解。
解:基本解组 ,。由 (5.24):
注意到 是对应齐次方程的解,故 也是原方程的一个解。
作业(5.1.2):p124-125:9、10、11、12、13、14、16、17
§5.2 常系数线性微分方程组
一阶常系数线性微分方程组:,系数矩阵 为 常数矩阵;若 ,对应齐次方程组为
本节主要讨论 (5.26) 的基解矩阵的求法。
一、矩阵指数 exp A 的定义和求法
定义:设 为 常数矩阵,定义矩阵指数为矩阵级数的和
其中 为单位矩阵,。
- 注 1:矩阵级数收敛(,数项级数 收敛)
- 注 2:级数 在 的任何有限区间上一致收敛
矩阵指数的性质:
- 若 ,则
- 对任何矩阵 , 存在,且
- 若 非奇异,则
常系数齐线性微分方程组的基解矩阵
定理 10:矩阵 是 (5.26) 的基解矩阵,且 。
证明:,且 ,。
例 1(对角矩阵):,基解矩阵 。
例 2(Jordan 块矩阵):,其中 , 幂零(),。则
基解矩阵的一种求法:设 ( 为 Jordan 矩阵),则 ,其中 ,。注: 也是基解矩阵。
基解矩阵的计算公式
特征值与特征向量的关系:寻求 (5.26) 形如 ()的解,代入得 ,有非零解 。
结论:(5.26) 有非零解 的充要条件是 是 的特征根, 是对应的特征向量。
例 3:求 的特征值和特征向量。特征方程 ,; 对应特征向量 , 对应 。
例 4:,特征值 (二重根),特征向量 。
(1) 矩阵 A 具有 n 个线性无关的特征向量时
定理 11:如果矩阵 具有 个线性无关的特征向量 ,相应特征值为 (不必互不相同),则矩阵
是 (5.26) 的一个基解矩阵。
证明:每个 都是解;。
例 5: 的基解矩阵为 。
注与例 6(实基解矩阵):一般来说 不一定是 ;但 。例 5 的实基解矩阵:
满足 的解为 。
例 7:,特征方程 ,根 ,对应特征向量 ,通解 。
(2) 矩阵 A 的特征根有重根时
假设 的特征值为 ,重数分别为 ,。由高等代数, 维空间 的子集
是 的 维不变子空间,且 。将 分解为 (),有 ()。
解的表达式:满足初始条件 的解可写成有限项组合:
注 1:当 只有一个特征值时,对任何 有 ,故
注 2:为从 (5.40) 求 ,令 (单位向量),求得 个线性无关的解,以这些解为列即得 。
例 8:,并求 。
解: 为二重特征值,只有一个子空间 。由 (5.40):
故 。
例 9: 为 5 阶矩阵( 五重特征值),,由 (5.41):
例 10:,,特征方程 。
- (): 解为
- (): 解为
分解 得 ,。解为
令 取三个单位向量得 (见讲义 p37 的 矩阵结果)。
(3) 非齐线性方程的解
非齐方程组 (5.43) 满足初始条件 的解:
或写为基解矩阵形式 。
例 10:,。
解:,代入得
作业(5.2):p137-138:1(1、2)、2、3(2、3)、4(1、4)、5(3)、6(2、3)、7、8(1、2、3)、9
§5.3 拉普拉斯变换
5.3.1 拉普拉斯变换
定义:
其中 在 有定义,且满足 ( 为正数)。称 为原函数, 为像函数。
例 1:(递推:)。
例 2:()。
常用变换对:,。
拉普拉斯变换的性质
- 阶导数的拉普拉斯变换:
- 其他性质(若 ):
- ,
应用:求解微分方程
给定 ,初始条件 。对方程两端作拉普拉斯变换,设 ,得
其中 为特征多项式, 由初始条件决定。则 ,解为 。
例 3:求解 。
解:令 ,,得 。变换得 ,,反变换 ,故 。
例 4:求解 。
解:变换得 ,解得 ,反变换得 。
5.3.2 微分方程组的拉普拉斯变换
定义:(按分量定义)。
定理 1:若向量函数 满足 (对所有充分大的 ),则初值问题 的解 及其导数 均满足类似不等式,从而其拉普拉斯变换都存在。
推论:若 ,则 初值问题的解及其直到 阶导数均存在拉普拉斯变换。
例 5:用拉普拉斯变换求解 ,。
解:令 ,变换得
解得 ,反变换得
例 6:,。
解:变换得 ,解得 ,反变换
例 7:,。
解:变换得 ,解得 ,,反变换
作业(5.3):p145:1(1、2)、2、4(1、2、3)
相关笔记
- ODE常微分方程
- 第四章 高阶微分方程
- 第二章 一阶微分方程的初等积分法