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文檔簡介
§
4.1General
Theory
of
Higher-Order
Linear
ODE§
4.1內(nèi)容回顧(4.2)21(t)x
a
(t)x
0nn1x(n)
a
(t)x(n1)
a解的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)。?n階齊次線性方程的所有解構(gòu)成一個(gè)n
維線性空間方程(4.2)的一組n個(gè)線性無關(guān)解稱為它的一個(gè)基本解組。本節(jié)
要求/Requirements/熟練掌握常系數(shù)齊次線性方程的求解方法熟練掌握常系數(shù)非齊次線性方程的求解方法熟練掌握
方程的求解方法3§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE結(jié)構(gòu)齊線性方程的通解可由其基本解組線性表示。非齊線性方程的通解等于對應(yīng)齊次方程的通解與自身的一個(gè)特解之和。非齊線性方程齊線性方程非齊線性方程通解特解基解組表示關(guān)鍵常數(shù)變易法4§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE4.2.1復(fù)值函數(shù)與復(fù)值解/Complex
Function
and
Complex
Solution/—
定義z(t)
(t)
i
(t)t
[a,b],(t),
(t)是定義在[a,b]上的實(shí)函數(shù)。極限lim
z(t)
lim
(t)
i
lim
(t)tt0
tt0
tt0t0
[a,b],連續(xù)lim
z(t)
z(t0
)
t0
[a,b],tt0導(dǎo)數(shù)tt0lim
z(t)
z(t0
)
lim
(t)
(t0
)
i
lim
(t)
(t0
)tt50dt
dtdt
t
tt
t0t
t000
t
t0z(t)
z(t
)
dzlim
0
z(t
)
t
t0
t
t0
t
t0
d
iddtd212z
(t))
1(z
(t)
dt
dtdtdz
(t)
dz
(t)1d
[cz
(t)]
c
dz1
(t)dt
ddt如dtz2
(t)
z1(t)dtdz
(t)dz
(t)(z1
(t)
z2
(t))
21§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE易驗(yàn)證j
1,2
t
[a,b],z
j
(t)
j
(t)
i
j
(t)1
2
1
1
2
2dt
dt
d
(z
(t)
z
(t))
d
(
(t)
i
(t)
(t)
i
(t))dt1
2
1
2
d
{[
(t)
(t)]
i[
(t)
(t)]}dt
dt1
2
1
2
d
[
(t)
(t)]
i
d
[
(t)
(t)]
i
d
2
)
dz1(t)
dz2
(t)dtdtdtdt
(
d1
i
d1
)
(
d2dt
dt6二
關(guān)于ekt表示k
i共軛復(fù)數(shù),定義ekt
e(
i
)t
eteit
et
(cos
t
i
sin
t)e(
i
)t
et
(cos
t
i
sin
t)eit
cos
t
i
sin
teit
cos
t
i
sin
tk
ik
i
,為實(shí)數(shù),t為實(shí)變量。ekt
e(
i
)t
e(
i
)t
et
(cos
t
i
sin
t)
et
(cos
t
i
sin
t)
ekt7§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODEekt的性質(zhì)1)
e(k1
k2
)t
ek1t
ek2t
kektdektdt2)
k
nekt8dt
nd
nekt3)結(jié)論實(shí)變量的復(fù)值函數(shù)的求導(dǎo)公式與實(shí)變量的實(shí)值函數(shù)的求導(dǎo)公式一致。實(shí)變量的復(fù)指數(shù)函數(shù)的求導(dǎo)公式與實(shí)變量的實(shí)指數(shù)函數(shù)的性質(zhì)一致?!?/p>
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODEdt
nnd
xd
n1xdt
n11
a
(t)n1dtn
a
(t)
dx
a
(t)x
f
(t)
(4.1)§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE三
線性方程的復(fù)值解/Complex
Solution
of
Linear
Higher-Order
ODE如果定義在
[a,
b]
上的實(shí)變量的復(fù)值函數(shù)
x
z(t)
滿足方程則稱
x
z(t)
為方程的一個(gè)復(fù)值解。d
n1xdtn19nd
x1
a
(t)dtn1
n
a
(t)
dx
a
(t)x
0
(4.2)dtn定理8
如果方程4.2中所有系數(shù)ai
(t)(i
1,2,,
n)都是實(shí)值函數(shù),而
x
z(t)
(t)
i
(t)
是方程的復(fù)數(shù)解,則
z(t)
的實(shí)部
(t),虛部
(t)
和共軛復(fù)數(shù)函數(shù)
z(t)也是方程4.2的解。d
n
x
dx定理9
若方程
dtn
a1(t)
dt
n1
an1
(t)
dt
an
(t)x
u(t)
iv(t)d
n1x有復(fù)數(shù)解x
U
(t)
iV
(t),這里ai
(t)(i
1,2,...,n)u(t)及v(t)都是實(shí)函數(shù)。那么這個(gè)解的實(shí)部U
(t)和虛部V
(t)
分別是方程dx
an1
(t)
dt
an
(t)x
u(t)d
n
x
a1
(t)
dt
n1d
n1
xdt
n和d
n
x
dx10
an1
(t)
dt
an
(t)x
v(t)a1
(t)
dt
n1d
n1
xdt
n的解。§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODEdx
an1
dt
an
x
0d
n1
xdt
n1L[x]
adt
n
1d
n
x…….(4.19)為常數(shù)。其中a1,a2
,...,an為了求方程(4.19)的通解,只需求出它的基本解組。n
階常系數(shù)齊次線性方程x
e
t1n1nn1
tL[et
]
net
a
e
aet
a
et
01nn1nF
()
a
n1
a
a
0
…….(4.21)etF
()
0
滿足etx
e
t結(jié)論:x
e
t
是方程(4.19)的解的充要條件
滿足F
()
0特征方程特征根§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE4.2.2
常系數(shù)齊線性方程和
方程/Coefficient
Linear
Homogenous
Higher-OrderODE
And
Euler
Equation/L[et
]
et
F()11§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE下面根據(jù)特征根的不同情況分別進(jìn)行
。1)特征根為單根的情況設(shè)1
,2
,,n
是特征方程(4.21)的n個(gè)互不相等的根,則相應(yīng)的方程(4.19)有如下n個(gè)解e1t
,
e2t
,
,
ent這n個(gè)解在區(qū)間
t
上線性無關(guān),從而組成方程1
n1
nnn1
a
a
a
0F
()
的基本解組。事實(shí)上,1213nn
te1tn
t
e
eW
(t)
e121.............
ee.....21n1
t2e2t
ent
tn1
t2112
nn1n1n111.....................n1ent范行列1....12....n............
e1
2
n(
)te1t
,
e2t
,
,
ent是方程的基本解組。方程4.19的通解可表示為
x
c
e1t
c
e2t
c
ent2
n1(Vandermonde)式i
j
0(i
j)§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE14對共軛的出現(xiàn),設(shè)1
i2
i則方程(4.19)有兩個(gè)復(fù)值解方程的一個(gè)特征根也是一個(gè)特征根e(
i
)
t
e
t
(cos
t
i
sin
t)e(
i
)
t
e
t
(cos
t
i
sin
t)§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE如果特征方程有復(fù)根,則因方程的系數(shù)是實(shí)常數(shù)。復(fù)根將成對應(yīng)兩個(gè)實(shí)值解e
t
cos
t,
e
t
sin
t例1求方程dt
415d
4
x
x
0的通解。解第一步:求特征根F()
4
1
0第二步:求出基本解組3,4
i1,2
1,et
,
et
,cost,
sin
t第三步:寫出通解x(t)
c
et
c
et
c
cost
c
sin
t1
2
3
4§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE例2求方程x
0dt3d
3
x
的通解。解第一步:求特征根F()
3
1
02
23
1
i2,31
1,
第二步:求出基本解組e
t
,sin
ttte
cos
t,
e
32
321212第三步:寫出通解t16t
32sin
t3t
c
e
32121x(t)
c
et
c
e2
cos1
2§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE17§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE2)特征根有重根的情況設(shè)1
,2
,,m
是特征方程(4.21)的m個(gè)互不相等的根。dt
nL[x]
d
n
xdx
a1
an1
dt
an
x
0dt
n1d
n1
x…….(4.19)1
n1
nn1
a
0
a
aF
()
n…….(4.21)重?cái)?shù)k1
,
k
2
,
,
km
k1
k
2
km
n,
ki
1I.
設(shè)1
0
是
k1
重特征根1nk1n1
a
0n
k1
a
1nk
1n
n1a
a
a
0
0111n1d
n1x
a1
ankkd
k
xnd
n
xdtdtdt
01an
k顯然
1,t,t
2
,,tk1
1是方程的k1
個(gè)線性無關(guān)的解,方程(4.19)有
k1
重零特征根方程恰有k1
個(gè)線性無關(guān)的解1,t,t
2
,,tk1
1II.
設(shè)1
0
是
k1
重特征根令x
ye1
tdt
ndtn1
nn
n1L[x]
d x
a
d x
a
dx
a x
01
dt
n1…….(4.19)118d
k1
x
ank
01d
n1xdtn1a1d
n
x
dtkdtn§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODEy
b
y)
0
b2
n1e1t
(y(n)
b
y(n1)
b
y(n2)n特征方程
G()
n
b1n1
bn1
bn
0(4.24)19L[ye1t
]
y
b y
0n…….(4.23)L
[
y]
y(n)11
b
y(n1)1
b
y(n2)
b2n11L[
ye1t
]
e1t
L
[
y]§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODEx(m)
(
ye1t
)(m)
111111m
t(m)
t
ye
yem(m
1)1
2!y
e
my
e
2
(m2)
t(m1)
tF(
1)
G()(4.19)的k1重特征根1(4.23)的k1
重特征根零,
j
1,2,,
k1120dG
j()d
jd
jjdF
(
)11(
)tF
(
)e
L[e(1
)t
]
L[e
te1t
]11
t
t
e L
[e
]1(
)t
e
G()1L[
ye1t
]
e1t
L
[
y]1j
1,2,,
k
11(j
)F
(
)
0,11(k
)F
(
)
0,§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE方程(4.23)恰有k1
個(gè)線性無關(guān)的解1,t,t
2
,,tk1
112mk1k
2kme1t
,te1t
,t
2e1t
,,tk1
1e1te2t
,te2t
,t
2e2t
,,tk2
1e2temt
,temt
,t
2emt
,,tkm
1emtk1
k
2
km
n,
ki
1由
x
ye1
t方程(4.19)恰有
k1
個(gè)線性無關(guān)的解
e1t
,te1t
,t
2e1t
,,tk1
1e1t類似地基21本解組(4.26)§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE22j證明
假若這些函數(shù)線性相關(guān),則存在不全為零的數(shù)
A
(
r
)使得0
1
k1
1(A(1)
A(1)t
A(1)
t
k1
1
)e1t(A(2)
A(2)
t
A(2)
t
k2
1)e2t0
1
k2
1(A(m)
A(m)
t
A(m)
t
km
1
)emt
00
1
km
11P
(t)e
1t
P
(t)e
2t
P
(t)e
mt
02
m(4.27)假定多項(xiàng)式
Pm(t)
至少有一個(gè)系數(shù)不為零,則
Pm(t)不恒為零,2
1m
P
(t)e
(m
1
)t
0(
)tP1
(t)
P2(t)e微分k1
次§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE[P
(t)e
(r
1
)t
](k1
)rrkr
1
r
1
r(k
)r
11(
)t(k
1))
P
(t)]e(t)
(r
1(t)
k
(
)P1
[Pr
Q
(t)e
(r
1
)tQm
(t)
不恒為零,
02mQ
(t)e
(2
1
)t
Q
(t)e
(m
1
)t(Qm
(t))
(Pm
(t))(Qr
(t))
(Pr
(t))
0mR
(t)e
(m
m1
)t(Rm
(t))
(Pm
(t))Rm
(t)
不恒為零,e(m
m1
)t
0!(4.26)
中函數(shù)線性無關(guān),其構(gòu)成的解本解組。23241
i2
i§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE方程的一個(gè)k
重特征根也是一個(gè)k
重特征根它們對應(yīng)2
k個(gè)線性無關(guān)的實(shí)解是e
t
cos
t,
te
t
cos
t,,
t
k
1e
t
cos
t,e
t
sin
t,
te
t
sin
t,,
t
k
1e
t
sin
t,例3
求方程
d
3
x
3
d
2
x
3
dx
x
0dt3
dt
2
dt25的通解。解第一步:求特征根F()
3
32
3
1
0第二步:求出基本解組et
,
tet
,
t
2et
,第三步:寫出通解1,2,3
1,x(t)
c
et
c
tet
c t
2et1
2
3§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE例4求方程d
4
x
d
2
x
dt
4
2
dt226x
0的通解。解第一步:求特征根F
()
4
22
1
0第二步:求出基本解組1,2
i
二重根cos
t,
t
cost,
sin
t,
t
sin
t,第三步:寫出通解x(t)
c1
cost
c2
t
cost
c3
sin
t
c4
t
sin
t§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE27作業(yè):P.113,第4,6,7,8,9題P.145,第2,3,4,5,6題§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE可化為常系數(shù)線性方程的方程------- (Euler)
方程(4.29)
a1xn1
d
n1
ydxn1dy
an1x
dx
an
y
f
(x)dxnxn
d
n
y其中a1,a2
,...,an引入自變量代換為常數(shù)。x
etln
x
tdx
et
dtdy
dy
dt
et
dy
1
dy(edx
dt
dxtdt
x
dtd
2
y
d
dy
)
dx2
dx
dtdt
2
dx(et
edy
t
d
2
y
dtdt)d
2y
dy2t1
d
2
y
dy
)dt
e(
dt
2
dt
)
x2
(
dt
2§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE28假設(shè)dxm
xm
(
dtmdtm1m1d
ymdm
y
1
d
y
1
m1dtdy
)自然數(shù)m
有以下關(guān)系式成立,1,2
,,m1為常數(shù))]dxm1dm1
y
ddtdydtdx
x
dtmm1
d
y[
m
(m1m1d
y
1
m1
m1
dtdy
)]
dtdxdtmmd
ydmtdtm1m1d
y[e
(
1dtdt
dt
mdtmmd
ym1d
ydtm1d
m1
ydt
m1mtdtdy)]et
m1d d
m
yemt
m1dtdy
)
[me
(
(
11)291
xm1
(
dtm1
1dm1
ydtdydtmdm
y
m§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE對一切自然數(shù)m
均有以下關(guān)系是成立,dm
y
1
dm
ydxm
xm
(
dtmdm1
y
dtm1
1dy
m1dt
)原方程(4.30)d
n1
yb1
dt
n1tn
b
y
f
(e
)dt
nd
n
y
dtdy
bn1可化為常系數(shù)線性方程(4.29)30
a1xn1
d
n1
ydxn1dy
an1x
dx
an
y
f
(x)dxnxn
d
n
yx
et§
4.2
Solving
Method
of
Constant
Coefficients
Linear
ODE方程x
et常系數(shù)線性方程y
ek
ty
xk
F
(k)
0F
(
k
)
0確定求解方程的過程
a1xn1
d
n1
ydxn1dy
an1x
dx
an
y
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