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常微分方程课件徐州工程学院数理学院第1页
第三章线性微分方程组第2页
3.1一阶微分方程组
在前两章里,我们研究了含有一个未知函数常微分方程解法及其解性质.不过,在很多实际和理论问题中,还要求我们去求解含有多个未知函数微分方程组,或者研究它们解性质.
第3页
比如,已知在空间运动质点速度与时间及点坐标关系为且质点在时刻经过点,求该质点运动轨迹。第4页
因为和,所以这个问题其实就是求一阶微分方程组满足初始条件解。另外,在n阶微分方程(1.12)第5页
中,令就能够把它化成等价一阶微分方程组注意,这是一个含n个未知函数一阶微分方程组。第6页
第四章线性微分方程第17讲n阶线性微分方程普通理论
第18讲n阶常系数线性齐次方程解法
第19讲n阶常系数线性非齐次方程解法
第20讲二阶常系数线性方程与振动现象4.1.1线性微分方程普通概念
????n阶线性微分方程在自然科学与工程技术中有着极其广泛应用.在介绍线性方程普通理论之前,先让我们来研究一个实际例子.
例1弹簧振动.
????????????????????
第7页
设一质量为m物体B被系于挂在顶板上一弹簧末端,(我们将假设弹簧质量与这一物体质量比较起来是小能够忽略不计),现在来求该物体在外力扰动时运动微分方程式.
????当物体B不受外力扰动时,重力被作用于物体B上弹簧弹力所平衡而处于静止位置,把物体B静止位置取为坐标轴x原点0,向下方向取为正向,如图4-1(a).
????若有一外力f(t)沿垂直方向作用在物体B上,那么物体B将离开静止位置0,如图4-1(b),记表物体B在t时刻关于静止位置0位移,于是分别表示物体B速度和加速度.
????由牛顿第二定律F=ma,m是物体B质量,a=是物体B位移加速度,而F是作用于物体B上合外力.
第8页
?这时,合外力F由以下几部分组成.?(1)弹簧恢复力f1,依虎克定律,弹簧恢复力f1与物体B位移x成正比,即
???????????????????????????????
式中百分比常数c(0)叫作弹性系数,依据所取坐标系,恢复力f1方向与位移x方向相反,所以上式右端添一负号.
(2)空气阻力f2,当速度不太大时,空气阻力f2可取为与物体B位移速度成正比,亦即
????????????????????????????
式中百分比常数(0)叫作阻尼系数,式中右边负号,是因为阻力f2方向与物体B速度方向相反.第9页
?(3)外力
所以,我们得到
?????????????????????????????从而我们得物体B在外力作用下运动微分方程式
????????????????????????????????????????(4.1)
我们将在本章第4节,详细叙述方程(4.1)所描述弹簧振动性质.因为方程(4.1)是描述物体B在外力f(t)经常作用下运动,所以方程(4.1)亦称为阻尼强迫振动.
普通n阶线性微分方程能够写成以下形状:
第10页
?????(4.5)
方程(4.5)初始条件记为
??????????????????????(4.6)
????n阶线性微分方程与第三章讲过一阶线性微分方程组有着亲密关系,即能够把前者化成后者,而且二者是等价,这么就能够把前者作为后者特例加以处理.
????在方程(4.5)中,令,(4.5)就能够化成一阶方程组???(4.7)第11页
(4.7)能够写成向量形式
??????????????????????????????????????????????????(4.8)其中
?????????????
????????????????????,
方程组(4.8)初始条件可记为
??????????????????????????????Y()=Y0第12页
其中
????????????????????
????引理4.1方程(4.5)与方程组(4.7)是等价,即若是方程(4.5)在区间I上解,则,,…,是方程组(4.7)在区间I上解;反之,若,,…,是方程组(4.7)在区间I上第13页
是方程(4.5)在区间I上解.
????证实设是方程(4.5)在区间I上解.令
????????,,…,??????(4.9)则有
?????(4.10)
第14页
在区间I上恒成立.这表明,,,…,是方程组(4.7)在区间I上解.????
????反之,设,,…,是方程组(4.7)在区间I上解.于是(4.10)式在区间I上恒成立.由(4.10)前n-1个等式.能够看出,函数,,…,满足关系式(4.9),将它们
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