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第四章 高阶微分方程§4.1 线性微分方程的一般理论 一、 n 阶线性微分方程 二、齐次线性方程的解的结构与性质 三、非齐次线性方程与常数变易法 作业 * 一、 n 阶线性微分方程 二、齐次线性方程的解的结构与性质 三、非齐次线性方程与常数变易法 当重力与弹性力抵消时, 物体处于平衡状态, 例 质量为m的物体自由悬挂在一端固定的弹簧上, 力作用下作往复运动, 解 阻力的大小与运动速度 外力f(t)沿垂直方向作用在物体上, 若有一 物体在弹性力与阻 取平衡时物体的位置为坐标原点, 如图建立坐标系. 设时刻 t 物体位移为x = x(t). 1. 弹性力 f 1= ?c x 物体所受的力有: 成正比, 方向相反. 建立位移满足的微分方程. 2. 阻力 3. 外力f(t), 据牛顿第二定律得 则得振动方程: —— 二阶线性微分方程 n 阶线性微分方程的一般形式为 方程(2)称为 n 阶齐次线性(微分)方程. 方程(1)称为 n 阶非齐次线性(微分)方程, 方程(2)叫做对应于方程(1) 的齐次线性方程. 定理1 (解的存在唯一性定理) 在[ a,b]上存在唯一的连续解 x=? (t), 且满足初始条件: 定理2 (解的叠加原理) 若 x1(t), x2(t),???, xk(t)是方程(2)的k个解, 则其线性组合 x =c1x1(t)+ c2x2(t)+???+ck xk(t) (c1,c2,???,ck是任意常数) 也是(2)的解. 若 k = n, 则 x =c1x1(t)+c2x2(t)+???+cnxn(t) 是(2)的解. 问题: x = c1x1(t)+c2x2(t)+???+cnxn(t)一定是(2)的通解吗? 为解决通解的判别问题,下面引入函数的线性相关 与线性无关及朗斯基(Wronski)行列式概念. 定义 设函数 x1(t), x2(t), ???, xk(t) 定义在区间[a,b]上, 若存在不全为 0 的常数 c1, c2,???, ck , 使得 则称这些函数在[a,b]上线性相关, 否则称线性无关. 例如: 在(?? , ?? )上有 故 1, cos2 t, sin2 t 在任何区间 I 上都线性相关. 又如: 1, t, t 2 在任何区间 I 上都线性无关. ? 1, t, t 2 ,???, t n在任何区间 I 上都线性无关. x1(t), x2(t)线性相关 两个函数在区间 I 上线性相关与线性无关的充要条件: 存在不全为 0 的k1, k2,使 x1(t), x2(t)线性无关 常数 思考: 若 x1(t), x2(t) 中有一个恒为 0, 则 x1(t), x2(t)必线性_________ 相关 定义 设定义在区间[a,b]上的 k 个函数 x1(t), x2(t), ???, xk(t) 均有k?1阶导数, 称行列式 为这 k 个函数的朗斯基(Wrongsky)行列式. 定理3 若函数组 x1(t), x2(t), ???, xk(t)在区间[a,b]上线性相关, 则在[a,b]上其朗斯基行列式 W(t) ? 0. 反之未必成立. 定理4 若方程(2)的n个解 x1(t), x2(t),???, xn(t) 在 [a,b]上线性无关, 则其朗斯基行列式 W(t) ? 0 (x?[a,b]). 由此有:方程(2)的n个解构成的朗斯基行列式 W(t)在 [a,b]上或者恒等于0, 或者处处不为0. 定理5 n 阶齐次线性方程(2)必存在n个线性无关的解. 定理6 (通解结构定理) 若 x1(t), x2(t),???, xn(t)是方程(2)的n个线性无关的解, 则方程(2)的通解可表为: x = c1x1(t)+ c2x2(t)+ ??? +cnxn (t) (3) (其中 c1, c2, ???,cn 是任意常数.) 且通解(3)包括了方程(2)的所有解. 推论 n 阶齐线性方程所有解构成一个n维线性空间. 定理5 n 阶齐次线性方程(2)必存在n个线性无关的解. 定义 n 阶齐次线性方程的 n 个线性无关的解称为方程的一个基本解组. 齐次线性方程的基本解组不唯一. 若一个基本解组满足W(t0)=1, 则称其为标准基本解组. 例1 验证x1=cos t, x2=sin t 为方程??x?+x = 0 的基本解组, 并求其通解. 解 ∵?x1?+x1 = ?cos t +cos t =0, ? x1 为方程的解. ∵?x2?+x2 = ?sin t +sin t =0, ? x2 为方程的解. 由它们构成的朗斯基行列式 故 x1, x2 是方程的一个基本解组, 则方程通解为:
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