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第五章线性微分方程组
§5、1存在唯一性定理
习题5、1
1.给定方程组
,.(*)
试验证,分别就是方程组(*)得满足初始条件,得解;
试验证就是方程组(*)得满足初始条件得解,其中就是任意常数.
证明,显然.
,
,
所以,分别就是方程组(*)得满足初始条件,得解.
,又
,
所以就是方程组(*)得满足初始条件得解,其中就是任意常数.
2.将下面得初值问题化为与之等价得一阶方程组得初值问题:
,,;
,,,,;
,,,,.
(提示:令)
解设,则,,即与该初值问题等价得一阶方程组得初值问题为
设,
则,,,,则得等价得一阶方程组得初值问题为
,.
令,有
,,
为与原初值问题等价得一阶方程组得初值问题.
3.试用逐步逼近法求方程组
,
满足初始条件得第三次近似解.
解,
,
,
第三次近似解为.
§5、2线性微分方程组得一般理论
习题5、2
1.试验证
就是方程组
,
在任何不包含原点得区间上得基解矩阵.
证明设,,则由于
,
,
所以都就是方程组得解,因而就是所给方程组得解矩阵.又由于在任何不包含原点得区间上,,故就是所给方程组得基解矩阵.
2.考虑方程组
,(5、15)
其中就是区间上得连续矩阵,它得元素为,.
如果就是(5、15)得任意个解,那么它们得Wronsky行列式满足下面得一阶线性微分方程
.
(提示:利用行列式得微分公式,求出得表达式);
解上面得一阶线性微分方程,证明下面得公式:
,.
证明
,
所以就是一阶线性微分方程得解.
由知,,分离变量后两边积分求解得
,
时就得到,所以,.
3.设为区间上得连续实矩阵,为方程得基解矩阵,而为其一解.试证:
对于方程得任一解必有常数;
为方程得基解矩阵得充要条件就是存在非奇异得常数矩阵,使.
证明由于就是方程得解,故有,为方程得解,故.所以
,
所以常数.
“”就是方程得基解矩阵,因此,就是方程得基解矩阵,故,且与.所以
,
故就是常数矩阵,设,则
,
因此存在非奇异常数矩阵,使.
“”若存在非奇异常数矩阵,使,则有
,
所以,即就是非奇异矩阵或说得各列就是线性无关得.又
,
并注意到,有,即.
从而就是方程得基解矩阵.
4.设为方程(为常数矩阵)得标准基解矩阵(即),证明,其中为某一值.
证明由于为常数矩阵,故在有定义、连续,从而它得解也在连续可导.
由为方程得基解矩阵,故,有,并且有,从而对某个,有,且
,
即亦为方程得基解矩阵.由推论2*,存在一个非奇异常数矩阵,使得在区间上,.又因为,所以.
因此,其中为某一值.
5.设分别为在区间上连续得矩阵与维列向量.证明方程组存在且最多存在个线性无关解.
证明设方程组得基解矩阵为,而就是方程组得一个特解,则其通解为,其中就是任意得常数列向量.若不恒为0,则必与线性无关,从而,,,线性无关,即方程组存在个线性无关解.
又假若就是方程组得任意一个解,则一定有确定得常数列向量,使得,将其加入,,,这一组向量就线性相关,故方程组得任何个解必线性相关.从而方程组存在且最多存在个线性无关解.
6.试证非齐线性微分方程组得叠加原理:设分别就是方程组
,
得解,则就是方程组得解.
证明因为分别就是方程组
,
得解,故,,所以有
,
所以就是方程组得解.
7.考虑方程组,其中
,,.
试验证就是得基解矩阵;
试求得满足初始条件得解.
证明,成立.而
,
所以就是得基解矩阵.
,这样,由定理8,方程组满足初始条件得解就就是
,
对应得齐线性方程组满足初始条件得解就就是
,
所以,所求方程组得满足初始条件得解为
.
8.试求,其中
,,
满足初始条件得解.
解由上题知,且这里
,
所以,所求方程组得满足初始条件得解为
.
9.试求下列方程得通解:
,;
;
.
解易知对应得齐线性方程得基本解组为,,用公式(5、31)来求方程得一个解.这时,取,有
所以方程得通解为.
由于特征方程得根就是,,故对应得齐线性方程得基本解组为,,.
原方程得一个特解由公式(5、29)有(取),
,
其中
,
,
,
.
所以
,
故通解.
特征方程,得到特征根,故对应得齐线性方程得基本解组为,,.取,由(5、31),得特解
,
所以得到通解.
10.
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