当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第五章 常微分方程 > 第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法) > 一阶线性微分方程的概念和解的性质
好 接下来我们介绍一下
一阶线性微分方程的概念
和他解的性质
那我们先看一下
一阶线性微分方程
他的概念
形如a(x)y‘+b(x)y=c(x)
这样的微分方程
我们就叫一阶线性微分方程
他的标准形式我们记成是y’+P(x)y=q(x)
在这个方程里面如果q(x)恒为0
也就是右端项恒为0
我们就说这个方程
是一阶线性齐次微分方程
如果右端项函数q(x)不恒为0
我们就说这个方程是
一阶线性非齐次微分方程
所以我们看解的性质的时候
我们先看一下
齐次方程 他的解的性质
关于他的解的性质
我们给出一个结论
写成一个定理的形式
这定理是这样子的
齐次方程解的性质
我们写成一个定理
定理的内容就是说
如果函数y1(x)y2(x)
是线性齐次微分方程
y’+P(x)y=0这个齐次方程的两个解
αβ是两个任意实数
那么y1(x)y2(x)
以αβ为系数
得到的这个线性组合
也是原来这个齐次方程的解
大家学过线性代数的时候知道
也就是说这个齐次方程的解
可以构成一个集合
在这个集合里面
我们就用一般的
函数的数乘运算和加法运算
这说明在这个集合中的任何两个元素
做数乘运算得到的结果
仍然还在这个集合里面
实际上他意味着
这个一阶线性齐次方程的解集合
应该是一个线性空间
这是这个性质体现出来的
关于这个性质的证明
我们只用到了
导数运算的线性性质
也就是说我们做证明的时候
只要证明这个东西就行了
因为我们知道y1一撇+P(x)y1
他是等0的
y2一撇+P(x)y2 他也等0
那么我们来看一下
能不能推出αy1(x)+βy2(x)
我们求完导
再加上P(x)(αy1+βy2)
能不能得到这个表达式也等0
实际上导数运算是有线性性质的
所以这个应该就等于
α倍的这个是y1(x)的导数
这面我们α提出来
剩下了一个Px倍的y1
这是一项 再加上β
这面是β倍的y2 他的导数
这面把β提出来
剩下的是一个p(x)y2(x)
所以这个表达式
就等于这两项之和
而我们的条件是
这两个括号都等于0
所以说 他自然也等0
也就是说明这个线性组合函数
仍然满足我们原来
这个一阶线性齐次方程
这也就证明了
一阶线性齐次方程
他的解是有这样的性质
这个性质我们一般也称为是
一阶线性齐次方程
他的解满足所谓的线性叠加原理
接下来我们来看一下
非齐次方程他的解的性质
非齐次方程
非齐次方程解的性质
我们也写成一个定理
这个定理是这样说的
关于非齐次方程解的性质
我们也写成一个定理
定理的内容是
如果函数y1(x)y2(x)
是线性非齐次微分方程
也就是y’+P(x)y=q(x)的两个解
αβ是两个任意实数
那么y1(x)y2(x)
以αβ做系数
得到的这个线性组合函数
应该就满足右端项是(α+β)q(x)
的这一个非齐次方程的解
特别地 如果我把α取成1 β取成-1
这时候y1(x)-y2(x)
就是原来这个非齐次方程
对应的齐次方程的解
非齐次方程解的性质
可以告诉我们两件事情
一个就是说我利用
这个非齐次方程的解
通过做线性运算
可以得到右端项
是这个形式的非齐次方程的解
另外一个也是我们
在构造解的构造时常用的一个结论
也就是非齐次方程的两个解做一些差
得到的应该是
他对应的齐次方程的解
换句话说
如果我能把齐次方程的解分析清楚
那么在他的基础上
我加上一个非齐次方程的解
就会得到非齐次方程的其他的解
这实际就是后面
我们要给出的关于非齐次解的结构
与齐次方程他的解空间之间的关系
现在我们看一下这个定理的证明
这个证明跟齐次方程
解的叠加原理证明是类似的
也就是利用了
导数运算的线性运算性质
因为我们的条件是
y1(x)y2(x)都满足这一个方程
我们要证明
就是这个函数满足什么方程
那我们做的时候
自然就是这样
αy1+βy2我们求导
再加上P(x)(αy1+βy2)
再加上βy2
那根据我们导数的线性运算性质
我可以给他写成
α倍y1的导数
再加上P(x)倍的y1
再加上β倍的
这面是一个y2他的导数
再加上P(x)y2
这是根据导数的线性运算性质
而我们的条件知道
y1他是满足所谓的非齐次方程
也就是这个括号
应该就是qx
类似的y2也满足非齐次方程
所以这个括号也是qx
所以他应该就等于(α+β)q(x)
这就是我们要证的结论
也就是说y1y2的这个线性组合
应该是右端项是这个形式的
那个非齐次方程的解
当然这种特殊情况
自然是他的一个直接结果
我想这是关于 我们要介绍的
一阶线性微分方程
他的概念是什么
然后齐次方程解的
叠加原理指的是什么
也就是他的性质
类似的 非齐次方程他解的性质
以及非齐次方程他的解
和他对应的齐次方程解之间的关系
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