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非齐次线性微分方程通解的证明
总之,由上面的讨论,我们已经证明了初值问题(5.6)与(5.7)在下面的意义是等价的:给定其中一个初值问题的解,我们可以构造另一个初值问题的解。
值得指出的是,每一个n阶线性微分方程可化为n个一阶线性微分方程构成的方程组,反之却不成立。
本段讨论非齐次线性微分方程组
(5.14)
的解的结构问题,这里 是区间 上已知nxn连续矩阵, 是区间 上的已知的n维连续列向量,向量 通常称为强迫项,因为如果(5.14)描述一个力学系统, 就代表外力。
公式(5.29)称为(5.28)的常数变易公式。
我们指出,这时方程(5.28)的通解可以表示为
证明
考虑n阶线性微分方程的初值问题
(5.6)
其中 是区间 上的已知连续函数, , 是已知常数,我们指出,它可以化为下列线性微分方程组的初值问题:
(5.7)
其中
事实上,令
这时
而且
现在假设 是在包含 的区间 上(5.6)的任一解,由此,我们得知 在 上存在、连续、满足方程(5.6)且 令
其中 那么,显然有 ,此外,我们还得到
这就表示这个特定的向量 是(5.7)的解,反之,假设向量u(t)是在包含 的区间 上(5.7)的解,令
并定义函数 ,由(5.7)的第一个方程,我们得到 ,由第二个方程得到 有第n-1个方程得到 由第n个方程得到
由此即得
同时,我们也得到
这就是说, 是(5.6)的一个解
从上一节我们知道,如果c是常数列向量,则 是(5.15)的解,它不可能是(5.14)的解,因此,我们将c变易为t的向量函数,而试图寻求(5.14)的形如
(5.24)
的解,这里 是待定的向量函数。
假设(5.14)存在形如(5.24)的解,这时,将(5.24)代入(5.14)得到
因为 是(5.15)的基解矩阵,所以 ,由此上式中含有 的项消去了,因而 必须满足关系式
(5.25)
因为在区间 上 是非奇异的,所以 存在,用 左乘(5.25)两边,然后积分之,得到
其中 =0,这样,(5.24)变为
(5.26)
因此,如果(5.14)有一个形如(5.24)的解 ,则 由公式(5.26)决定。
反之,用公式(5.26)决定的向量函数 必定是(5.14)的解,事实上,微分(5.26)得到
(5.23)
这里c是确定的常数列向量
证明由性质2我们知道 是(5.15)的解,再由5.2.1的定理1*,得到
这里c是确定的常数列向量,由此即得
定理证毕
定理7告诉我们,为了寻求(5.14)的任一解,只要知道(5.14)的一个解和它对应的齐次线性微分方程组(5.15)的基解矩阵,现在,我们要进一步指出,在已经知道(5.15)的基解矩阵 的情况下,有一个寻求(5.14)的解 的简单方法,这个方法就是常数变易法。
我们容易验证(5.14)的两个简单性质
性质1如果 是(5.14)的解, 是(5.14)对应的其次线性微分方程组(5.15)的解,则 是(5.14)的解
性质2如果 和 是(5.14)的两个解,则 是(5.15)的解
下面的定理7给出(5.14)的解的结构
定理7设 是(5.15)的基解矩阵, 是(5.14)的某一解,则(5.14)的任一解 都可表为
再利用公式(5.26),即得
显然,还有 =0,这样一来,我们就得到了下面的定理8
定理8如果 是(5.15)的基解矩阵,则向量函数
是(5.14)的解,且满足初值条件
由定理7和定理8容易看出,(5.14)的满足初值条件 的解 由下面公式给出
(7)
这里 是(5.15)的满足初值条件 的解,公式(5.26)或公式(5.27)称为非齐次线性微分方程组(5.14)的常数变易公式。
问题重述
如果 是区间 上的连续函数, 是区间 上齐次线性微分方程
(5.21)
的基本解组,那么,非齐次线性微分方程
(5.28)
的满足初值条件
的解由下面公式给出
(5.29)
这里 是 的朗斯基行列式, 是在 中的第k行代以 后得到的行列式,而且(5.28)的任一解u(t)都具有形式
,(5.30)
这里 是适当选取的常数。