AM@线性微分方程解的结构

线性微分方程

  • y ( n ) + a 1 ( x ) y ( n − 1 ) + ⋯ + a n − 1 ( x ) y ′ + a n ( x ) y y^{(n)}+a_1(x)y^{(n-1)}+cdots+a_{n-1}(x)y^{'}+a_n(x)y y(n)+a1(x)y(n1)++an1(x)y+an(x)y= f ( x ) f(x) f(x)(1),
  • 方程(1)对应的齐次方程为 y ( n ) + a 1 ( x ) y ( n − 1 ) + ⋯ + a n − 1 ( x ) y ′ + a n ( x ) y = 0 y^{(n)}+a_1(x)y^{(n-1)}+cdots+a_{n-1}(x)y^{'}+a_n(x)y=0 y(n)+a1(x)y(n1)++an1(x)y+an(x)y=0(2)

函数线性相关性

  • y 1 ( x ) , ⋯   , y m ( x ) y_1(x),cdots,y_m(x) y1(x),,ym(x)是定义在某区间 ( a , b ) (a,b) (a,b)内得 m m m个函数,若存在不全为0的 m m m个常数 k 1 , ⋯   , k m k_1,cdots,k_m k1,,km,使得 ∑ i = 1 n k i y i ( x ) = 0 sum_{i=1}^{n}k_iy_i(x)=0 i=1nkiyi(x)=0(1)成立,则称这 m m m个函数在该区间线性相关,否则称这 m m m个函数在该区间内线性无关

  • m = 2 m=2 m=2时,即只有2个函数时, y 1 ( x ) , y 2 ( x ) y_1(x),y_2(x) y1(x),y2(x)线性无关等价于 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) y_1(x),y_2(x) y1(x),y2(x)之比不为常数(设 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) ≠ 0 y_1(x),y_2(x)neq{0} y1(x),y2(x)=0)

    • 证明:若 y 2 ( x ) = k y 1 ( x ) y_2(x)=ky_1(x) y2(x)=ky1(x), k k k为常数,显然 − k y 1 ( x ) + y 2 ( x ) -ky_1(x)+y_2(x) ky1(x)+y2(x)= 0 0 0,即一定存在 2 2 2个不全为0的常数 − 1 , k -1,k 1,k满足线性相关方程
      • 因此 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) y_1(x),y_2(x) y1(x),y2(x)线性无关必有 k k k不为常数,否则线性相关
    • 反之,若 k k k不为常数,记为 k ( x ) k(x) k(x)
      • k 1 y 1 ( x ) + k 2 k y 1 ( x ) k_1y_1(x)+k_2ky_1(x) k1y1(x)+k2ky1(x)= ( k 1 + k 2 k ( x ) ) y 1 ( x ) (k_1+k_2k(x))y_1(x) (k1+k2k(x))y1(x)= 0 0 0, y 1 ( x ) y_1(x) y1(x)不是常数0,所以 k 1 + k 2 k ( x ) = 0 k_1+k_2k(x)=0 k1+k2k(x)=0,当且仅当 k 1 = k 2 = 0 k_1=k_2=0 k1=k2=0时成立,(否则 k 1 + k 2 k ( x ) k_1+k_2k(x) k1+k2k(x)是一个关于 x x x的函数),所以 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) y_1(x),y_2(x) y1(x),y2(x)线性无关

线性微分方程解的性质

线性方程解和对应齐次方程解的基本性质

  • y ∗ ( x ) y^*(x) y(x)为线性方程(1)的解,且 Y ( x ) Y(x) Y(x)为方程(1)对应的齐次方程的解,则 y = Y ( x ) + y ∗ y=Y(x)+y^* y=Y(x)+y是(1)的解
  • y 1 ∗ ( x ) , y 2 ∗ ( x ) y_1^*(x),y_2^*(x) y1(x),y2(x)都是线性方程(1)的解,则 y = y 1 ∗ ( x ) − y 2 ∗ ( x ) y=y_1^*(x)-y_2^*(x) y=y1(x)y2(x)是方程(1)对应的齐次方程的解
  • 上述两点性质容易通过代入 y y y验证,和线性代数中的线性方程组解的结构类似的特点

齐次线性方程解的线性组合性质

  • y 1 ( x ) , ⋯   , y n ( x ) y_1(x),cdots,y_n(x) y1(x),,yn(x)是齐次线性方程(2)的 m m m个解,则它们的线性组合 ∑ i = 1 m C i y i ( x ) sum_{i=1}^{m}C_iy_i(x) i=1mCiyi(x)还是(2)的解

齐次线性方程的通解结构

  • y i ( x ) y_i(x) yi(x), i = 1 , 2 , ⋯   , n i=1,2,cdots,n i=1,2,,n n n n阶齐次线性方程(2)的 n n n线性无关的解, C i C_i Ci, ( i = 1 , 2 , ⋯   , n ) (i=1,2,cdots,n) (i=1,2,,n) n n n个任意常数,则 y = ∑ i = 1 n C i y i ( x ) y=sum_{i=1}^{n}C_iy_i(x) y=i=1nCiyi(x)为方程(2)的通解
  • 例如,二阶齐次线性方程的通解可以表示为 y = C 1 y 1 ( x ) + C 2 y 2 ( x ) y=C_1y_1(x)+C_2y_2(x) y=C1y1(x)+C2y2(x),其中 y 1 ( x ) , y 2 ( x ) y_1(x),y_2(x) y1(x),y2(x)线性无关, C 1 , C 2 C_1,C_2 C1,C2是两个任意常数(不可合并的独立常数)

非齐次线性方程的通解结构

  • y ∗ ( x ) y^*(x) y(x)为(1)的一个解, Y ( x ) Y(x) Y(x)为(1)对应的齐次方程(2)的通解,则 y = Y ( x ) + y ∗ ( x ) y=Y(x)+y^*(x) y=Y(x)+y(x)为(1)的通解

线性微分方程解的叠加原理

  • y i ∗ ( x ) y_i^*(x) yi(x)为方程 y ( n ) + a 1 ( x ) y ( n − 1 ) + ⋯ + a n − 1 ( x ) y ′ + a n ( x ) y y^{(n)}+a_1(x)y^{(n-1)}+cdots+a_{n-1}(x)y^{'}+a_n(x)y y(n)+a1(x)y(n1)++an1(x)y+an(x)y= f i ( x ) f_i(x) fi(x), ( i = 1 , 2 ) (i=1,2) (i=1,2)(1)

    • y 3 ∗ ( x ) = y 1 ∗ ( x ) + y 2 ∗ ( x ) y_3^*(x)=y_1^*(x)+y_2^*(x) y3(x)=y1(x)+y2(x) y ( n ) + a 1 ( x ) y ( n − 1 ) + ⋯ + a n − 1 ( x ) y ′ + a n ( x ) y y^{(n)}+a_1(x)y^{(n-1)}+cdots+a_{n-1}(x)y^{'}+a_n(x)y y(n)+a1(x)y(n1)++an1(x)y+an(x)y= f 1 ( x ) + f 2 ( x ) f_1(x)+f_2(x) f1(x)+f2(x)(2)的解
    • 本性质容易代入验证
  • 本定理指出,当 f ( x ) = f 1 ( x ) + f 2 ( x ) f(x)=f_1(x)+f_2(x) f(x)=f1(x)+f2(x),并且可知式(1)的特解 ( i = 1 , 2 ) (i=1,2) (i=1,2)时的特解分别有 y 1 ∗ ( x ) , y 2 ∗ ( x ) y_1^*(x),y_2^*(x) y1(x),y2(x),则可直接得到(2)的一个特解 y 3 ∗ ( x ) y_3^*(x) y3(x)