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《常微分方程》课件第3章.ppt

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假如a(t)、b(t)在t=t0的邻域内不是解析的,比如其中p(t)、q(t)都是t=t0的某邻域内的解析函数,则我们可试求方程(3.71)的如下形状的级数解:其中,α和ck(k=0,1,…)都是待定常数,c0≠0.例3.19在t=0附近解贝塞尔(Bessel,1784-1846)方程:(3.77)其中为非负实数.解令(3.78)把它代入方程(3.77),得合并同幂项,并令各项系数为零,就给出因为c0≠0,所以由第一个方程(称为指标方程)可求出α的两个值:α=n,α=-n.先考虑α=n的情形.这时有于是当m=1,2,…时,c2m-1=0,且代入式(3.78),得利用达朗贝尔判别法容易验证,它在整个t轴上有定义.利用Γ函数的性质:并取常数,进一步可得到它称为n阶贝塞尔函数.对于α=-n的情形,如果2n不等于任何整数,或2n等于某个奇数,我们可以类似地求得与x1(t)线性无关的另一解:称为-n阶贝塞尔函数.当2n等于某个非零偶数时,不可能从上述递推公式得出与α=-n对应的级数解.因此在这种情形,以及在n=0的情形中,需要另想办法.例如应用前述降阶法可得出方程(3.77)的通解:例3.20试用幂级数方法解方程:并求出幂级数解的收敛半径及函数.故故由知f(x)在(-∞,+∞)上收敛,和函数为sinx. 3.8线性方程的复值解

为了定义并研究复值解,我们先引进有关实变量复值函数的一些简单概念.如果对任何t∈I,都有一确定的复值u(t)+iv(t)与之对应,这里u(t)、v(t)都是实数,就说在区间I上给出了一个实变量的复值函数,记为z=u(t)+iv(t),或简记为z=φ(t).

我们说当t→t0时,函数φ(t)=u(t)+iv(t)的极限为A=α+iβ,记为当t→t0时,它的实部u(t)和虚部v(t)分别以α和β为极限.函数φ(t)在t=t0处连续(或可微),是指它的实部u(t)和虚部v(t)都在t=t0处连续(或可微).φ(t)在t=t0处的微商定义为在这样的定义下,可直接验证,熟知的关于两个函数之和、积、商的微商公式,对于实变量的复值函数仍然成立.函数φ(t)在(t1,t2)上可积,是指它的实部u(t)和虚部v(t)都在(t1,t2)上可积;φ(t)在(t1,t2)上的积分定义为以后我们用的最多的实变量复值初等函数是指数函数,即行如eα+iβ的函数,这里α和β是实数.我们按照下述方式来定义这种函数.

大家知道,对实数τ,有实际上,右端的幂级数可以作为eτ的定义.现以纯虚数iβ替代上式中的τ,并将实部和虚部分开,即其实部和虚部恰好是cosβ和sinβ的展开式.因此我们定义由于对任何实数τ1、τ2,有因此我们定义在这样的定义下,容易验证:对任何复数λ1、λ2,有同样容易验证如下的微分公式:其中λ为复常数,t为实变量.有了以上的准备,我们就可以讨论线性方程的复值解了.尽管我们可以针对方程的系数和非齐次项都是实变量复值函数的情形来进行,但为简单计,我们仍假设方程的系数和非齐次项都是区间I的实值函数,并且是连续的.和实值解一样,如果一个实变量的复值向量函数φ(t)恒满足线性方程组(NH)且在I上φ′(t)存在,则称φ(t)为线性方程组(NH)在区间I上的解.由于aij(t)、f(t)都是实值函数,显而易见,一个复值向量函数φ(t)=u(t)+iv(t)是线性方程组(NH)的解的充要条件是,它的实部u(t)是线性方程组(NH)的解,而虚部v(t)则是齐次线性方程组(LH)的解.特别是,一个复值向量函数φ(t)=u(t)+iv(t)是齐次线性方程组(LH)的解的充要条件是,它的实部u(t)和虚部v(t)都是齐次线性方程组(LH)的解.

根据这一事实和前面已经得到的结果,容易看出:关于线性方程组(NH)的初值问题的存在与唯一性定理以及关于齐次线性方程组(LH)和线性方程组(NH)通解结构的定理等,对于复值解仍然成立.只不过在存在与唯一性定理中,初值ξ可取为n维复向量,在通解的表达式中,c1,c2,…,cn是复常数.为证第二部分,首先注意:求方程(3.49)的周期解的问题等价于求方程组(3.53)满足边值条件(3.56)的解,这是因为,若x(t)是方程(3.49)的ω周期解,则x(t)、y(t)=x′(t)是边值问题式(3.53)和(3.56)的解;反之,若x(t)、y(t)是边值问题式(3.53)和(3.56)的解,则x(t)、y(t)可延拓成R1上的ω周期函数(仍记为x(t)、y(t)),其中

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