【精选习题】 第五章 线性微分方程组.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流第五章第六章第七章第八章 【精选习题】 第五章 线性微分方程组.精品文档.第九章 线性微分方程组研究对象 一阶线性微分方程组1 基本概念1）一阶微分方程组的标准型含有个未知函数及其一阶导数的微分方程组 （5.1）称为一阶微分方程组的标准型，其中是定义在维空间的某区域内已知的连续函数，是自变量。2）初值问题求满足方程组（5.1）及初值条件的解的问题称为一阶微分方程组的初值问题（或柯西问题）。表示如下及。3）通解方程组（5.1）含有个独立的任意常数的解称为它的通解。4) 高阶线性方程与一阶方程组等价阶线性微分方程的初值问题其中是区间上确定的函数，是确定的常数，它的解为。只要令，它可以化为下列一阶线性微分方程组的初值问题其中，并且它的解为。 同时，给定其中一个初值问题的解，就可构造另一个初值问题的解，在这个意义下，称上面两个初值问题是等价的。5）一阶线性微分方程组若（5.1）中函数关于是线性的，即 （5.2）则称（5.2）为一阶线性微分方程组，简称为线性方程组，其中在区间上连续。6) 线性方程组的向量表示 方程组（5.2）的向量形式为 （5.3）其中，在方程组（5.3）中，若，则有 （5.4）称（5.4）为线性齐次方程组，否则称（5.3）为线性非齐次方程组，7) 向量函数组的线性相关和线性无关定义在区间上的维向量函数，如果存在个不全为零的常数，使得在区间上成立，则称这个向量函数组在区间上线性相关，否则称线性无关。8) 向量函数组的朗斯基行列式设是个向量函数，以作为第列所构成的矩阵记为，将其行列式称为向量函数组的朗斯基行列式，记为9）基本解组和基本解矩阵若是线性齐次方程组（5.4）的个线性无关解，那么称是它的一个基本解组，并称矩阵为方程组（5.4）的基本解矩阵，简称基本解矩阵。2 基本定理及性质定理5.1 如果矩阵函数及向量函数在区间上连续，则对上任一点以及任意给定的，初值问题在区间内存在唯一的解。定理5.2（线性齐次方程组的叠加原理） 设是线性齐次方程组（5.4）的个解，则也是（5.4）的解，其中是任意常数，即线性齐次方程组的任意有限个解的任意线性组合仍为该方程组的解。定理5.3 如果向量函数组在区间上线性相关，则它们的朗斯基行列式在区间上恒等于零。推论5.1 如果向量函数组的朗斯基行列式在区间上的某一点不等于零，即，则该向量函数组在区间上线性无关。定理5.4 如果方程组（5.4）的个解在其定义区间上线性无关，则它们的朗斯基行列式在区间上处处不为零。推论5.2 方程组（5.4）的个解在其定义区间上线性无关的充要条件是它们的朗斯基行列式在区间上处处不为零。定理5.5 线性齐次方程组（5.4）存在并且至多存在个线性无关的解。定理5.6（刘维尔公式） 若是线性齐次方程组（5.4）的个解，则这个解的伏朗斯基行列式与方程组（5.4）的系数有如下关系式定理5.7 （线性齐次方程组通解结构）如果向量函数组是线性齐次方程组（5.4）的个线性无关解，则方程组（5.4）的任一解均可表示为 这里是个相应的常数。结论1（线性齐次方程组通解结构的矩阵表示）线性齐次方程组（5.4）的通解为，其中为（5.4）的基本解矩阵，为任意常向量。性质5.1 如果是线性非齐次方程组（5.3）的解，而是其对应线性齐次方程组（5.4）的解，那么是线性非齐次方程组（5.3）的解。性质5.2 线性非齐次方程组（5.3）的任意两个解的差是其对应线性齐次方程组（5.4）的解。定理5.8（非齐次方程组通解结构）线性非齐次方程组（5.3）的通解等于其对应的齐次线性方程组（5.4）的通解与其自身的一个特解之和，即若是线性非齐次方程组（5.3）的一个特解，是线性齐次方程组（5.4）的个线性无关的解，则就是（5.3）的通解。结论2（线性非齐次方程组通解结构的矩阵表示）线性非齐次方程组（5.3）的通解为，其中为（5.4）的基本解矩阵，为任意常向量，是非齐次线性方程组（5.3）的一个特解。结论3 （常数变易公式）如果是线性齐次方程组（5.4）的基本解矩阵，则线性非齐次方程组（5.3）满足初始条件的特解由下面公式给出其中表示矩阵的逆矩阵。注意：利用常数变易法可求线性非齐次方程组（5.3）的一个特解。定理5.9 给定常系数线性方程组，那么a) 如果的特征值的实部都是负的，则方程组的任一解当时都趋于零。b) 如果的特征值的实部都是非正的，且实部为零的特征值都是简单特征值，则方程组的任一解当时都保持有界。c) 如果的特征值至少有一个具有正实部，则方程组至少有一解当时趋于无穷。3 基本求解方法1）常数变易法第一步：确定线性非齐次微分方程组（5.3）对应的线性齐次方程组（5.4）的通解。若方程组（5.4）的基本解矩阵为，则（5.4）的通解为。第二步：设（5.3）有形如的解，为待定的向量函数。第三步：确定向量函数。将代入方程（5.3），有因为方程组（5.4）基本解矩阵，则有，所以上式为即 积分得其中取，所以得到方程组（5.3）满足初始条件的解为第四步：求线性非齐次方程组（5.3）的通解。 由结论2，方程组（5.3）的通解可表示为第五步：求线性非齐次方程组（5.3）满足初始条件的解。将初始条件代入通解表达式中得，故方程组（5.3）满足初始条件的解为2）常系数线性齐次方程组的解法若（5.4）中系数矩阵为常矩阵，则称其为常系数线性齐次方程组，记为 （5.5） 由齐次方程组通解结构定理5.7和结论1，求解常系数线性齐次方程组的关键在于求它的基本解矩阵。定理5.10 矩阵函数是常系数线性方程组（5.5）的基本解矩阵，且。基本解矩阵的特点：a) 基本解矩阵是标准基本解矩阵，即满足。b) 若系数矩阵为实矩阵，则是实基本解矩阵，且任一基本解矩阵与有关系成立。 定理5.10给出了常系数线性齐次方程组（5.5）的基本解矩阵的构造形式，具体解题时要计算矩阵级数相当困难。下面给出计算基本解矩阵的常用方法。基本解矩阵的计算方法方法1空间分解法定理5.11 如果矩阵具有个线性无关的特征向量，对应特征值（不必各不相同），则矩阵是方程组（5.5）的一个基本解矩阵。特别地，有下面重要结论 结论4 若矩阵有个互异的特征值，是对应于的特征向量，则必线性无关，且矩阵是方程组（5.5）的基本解矩阵。更一般地，基于代数学中的空间分解定理，给出基本解矩阵的计算方法。设是的相异特征值，它们的重数分别为，且，对于每一个重特征值，线性代数方程组具有个线性无关的解，（称为矩阵对应于的广义特征向量），因而方程组的解的全体构成一个维子空间，并且维线性空间可以表示为这些子空间的直和，即对任一向量，存在唯一的，使得。定理5.12 方程组（5.5）满足初始条件的解可表示为其中是的相异特征值，它们的重数分别为，而是维线性空间的直和分解，即。利用定理5.12求基本解矩阵的步骤： 步骤1 求特征根解代数方程组。假如求得的相异特征值为，它们的重数分别为，。步骤2 对维线性空间进行直和分解 分别求解方程组得到对应的个线性无关的向量 由所张成的线性子空间，记为，则有 。步骤3 在维线性空间 中的表示 由于线性无关，方程组有唯一的解，。这样就得到了，。步骤4 计算标准基本解矩阵令 ，利用公式分别求得，则方程组（5.5）的基本解矩阵为特别当矩阵只有一个特征值时方法2 待定系数法定理5.13 如果有相异特征值为，它们的重数分别为，则方程组（5.5）存在个形如的线性无关解，其中（）为的次数不高于的多项式，取遍所有的就得到方程组（5.5）的一个基本解组。具体确定这个基本解组的方法是步骤1 求特征根解代数方程组。假如求得的相异特征值为，它们的重数分别为，。步骤2 根据定理5.13，设出方程组（5.5）的形式解对于每个，方程组（5.5）有下列形式的解，步骤3 确定待定系数将代入方程组（5.5），有即比较的同次幂系数，可得到关于待定系数（）的个等式。但注意到上式右端次数比左端要低一次，且是的重特征根，我们并不能得到个无关的等式。由代数知识可证所有个系数可以通过其中个来表示。 设为依次令就可得到方程组（5.5）的个线性无关的解。 取遍所有的就得到方程组（5.5）的个线性无关的解，构成方程组（5.5）一个基本解组。方法3 约当(Jordan)标准型法结论5 方程组的基本解矩阵为其中，是阶的若当块，而为矩阵的初等因子的个数，为矩阵的特征根，为阶非奇异矩阵，使得，。注：矩阵中空白的地方为零，称为过渡矩阵。方法4递推法结论6 方程组的基本解矩阵为其中，是下列初值问题的解，是矩阵特征值（不必相异）。方法5 拉普拉斯变换法记向量函数的拉普拉斯变换为对方程（5.5）两端进行拉普拉斯变换，得的代数方程组求解得，再求逆变换，此即为方程组（5.5）满足初始条件的解。我们依次取初始条件为就得到方程组（5.5）个线性无关的解，从而构成它的一个基本解组，也是标准基本解矩阵。方法6 消元法借助于方程组和高阶方程的关系，将原方程组的求解问题转化为关于某一个变量的高阶方程的求解问题来计算出基本解矩阵。注意：以上求基本解矩阵的6种方法各具特色，一般情况下，如果特征根是互不相同的单根时，可应用结论4来计算；如果有重特征根，且系数矩阵的阶数较低时可选择空间分解法（定理5.12）、待定系数法（定理5.13）、约当标准型法（结论5）、递推法（结论6）之一即可，但当系数矩阵的阶数较高时，建议采用空间分解法或递推法比较方便；至于拉普拉斯变换法和消元法一般针对的是比较特殊的方程，特别是对线性非齐次方程也适用。3）常系数线性非齐次微分方程组的解法常系数线性非齐次微分方程组可表示为 （5.6）其中为常矩阵，为连续的向量函数。第一步：常系数线性齐次微分方程组的通解设常系数线性齐次微分方程组的标准基本解矩阵为，则其通解为第二步：常系数线性非齐次微分方程组的特解常数变易法（方法同前）只需取方程组（5.5）的基本解矩阵为即可，得到满足初始条件的特解为注：也可用拉普拉斯变换法求方程组（5.6）的特解。第三步：常系数线性非齐次微分方程组的通解。 第四步：常系数线性非齐次微分方程组的满足初始条件的解。