一阶线性微分方程组.doc

一阶线性微分方程组
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第4章　 一阶线性微分方程组
一 内容提要
基本概念
一阶微分方程组：形如 　()　 的方程组，(其中是关于的未知函数)叫做一阶微分方程组.
若存在一组函数使得在［a,ｂ]上有恒等式
成立，则称为一阶微分方程组（）的一个解
含有n任意常数的解
　　 　 　 　
称为（3。1)通解．如果通解满方程组
　 　
则称这个方程组为（3。1)的通积分。
满足初始条件的解，叫做初值问题的解。
令ｎ维向量函数
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Y=,F（，Y）=
，
则(３。1）可记成向量形式
　 　 　 　 　 　 （）
初始条件可记为
Y(）=,其中
则初值问题为:
　 　　　 　 　 　 (3。3）
一阶线性微分方程组:形如 (3。4）的一阶微分方程组,叫做一阶线性微分方程组．
令
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A（)=及F（=
则（)的向量形式:
　 　 　 　 (3。5)
F（ 时　 　 　　 　 （)
称为一阶线性齐次方程组,
(3．5）式称为一阶线性非齐次方程组。
在(3。5）式Ａ(即A（
　 （３。7)
　 叫做常系数线性非齐次微分方程组。
　 　 　　 　　 （３。8）
叫做常系数线性齐次微分方程组．
一阶线性微分方程组的通解结构。
定理1(一阶线性微分方程组解存在唯一性定理)：如果线性微分方程组 中的A及F在区间I＝上连续，则对于上任一点以及任意给定的Y，方程组　 的满足初始条件的解在上存在且唯一.
　　　1）向量函数线性相关性及其判别法则
定义：设是ｍ个定义在区间I上的n维向量函数。如果存在m个不全为零的常数使得
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恒成立，则称这ｍ个向量函数在区间Ｉ上线性相关;否则它们在区间I上线性无关.
判别法则:①定义法
　 　 ②朗斯基(Ｗronski)行列式判别法：
对于列向量组成的行列式
　 　
通常把它称为n个n维向量函数组的朗斯基（Wronｓkｉ）行列式。
定理1 如果ｎ个ｎ维向量函数组在区间Ｉ线性相关,则们的朗斯基（Wｒonsｋi)行列式在I上恒等于零.
逆定理未必成立.
如：
　　
朗斯基行列式在I上恒等于零，但它们却是线性无关。
定理2 如果ｎ个n维向量函数组的朗斯基（Ｗrｏｎsｋi)行列式在区间I上某一点处不等于零，即则向量函数组在区间I线性无关。
逆定理未必成立．同前例。
但如果是一阶线性齐次微分方程组的解，则上述两定理及其逆定理均成立。即
定理３　一阶线性齐次微分方程组的解是线性无关的充要条件是它们的朗斯基（Wrｏnski)行列式在区间I上任一点处不等于零；解是线性相关的充要条件是它们的朗斯基(Wroｎsｋｉ)
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行列式在区间I上任一点处恒等于零
２）.基本解组及其有关结论
定义：一阶线性齐次微分方程组的n个线性无关解称为它的基本解组
判别：一阶线性齐次微分方程组的解是一个基本解组的充要条件是它们的朗斯基（Wｒｏnｓki)行列式在区间I上任一点处不等于零。
结论：①一阶线性齐次微分方程组必存在基本解组。
　 ②基本解组有无穷多个。
3）一阶线性齐次微分方程组通解的结构
　定理:如果是线性齐次微分方程组的基本解组,则其线性组合Ｙ是线性齐次微分方程组的通解。
　　结论:　线性齐次微分方程组的解的全体构成一n维线性空间。
4)解与系数的关系，即刘维尔公式
　 　定理：如果是线性齐次微分方程组的解，则这n个解的朗斯基行列式与线性齐次微分方程组的系数的关系是：
　
此式称为刘维尔(Ｌioｕｖｉｌｌｅ)公式．
由此公式可以看出n个解的朗斯基行列式或者恒为零，或者恒不为零
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称为矩阵A的迹。记作。
一阶线性非齐次方程组的通解结构
定理(通解结构定理）：线性非齐次方程组的通解等于对应的齐次微分方程组　　 的通解与的一个特解之和。即 的通解为Y
其中为对应的齐次微分方程组的通解，是的一个特解。
求通解的方法——拉格朗日常数变易法：对应的齐次微分方程组的一个基本解组构成基本解矩阵

齐次微分方程组的通解为
　 　 　 　其中