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 > 第三节 高阶线性微分方程解的结构 > 线性微分方程解函数组线性相关的判别法
对于一般的函数组
我们给出了线性相关的必要条件
如果我们这个函数组 是一个
线性齐次微分方程的解函数组的时候
我们来看看 我们会得到什么结果
这就是我们要介绍的
线性齐次微分方程
解函数组线性相关的
或者是线性无关的判别法
也就是说 给了一个函数组
它是一个线性齐次微分方程的
解函数组的时候
我们有没有办法
判别一下它是线性相关的
还是线性无关的
关于这个问题 我们给出一个定理
这个定理的内容是
如果函数组g1(x) g2(x)一直到gn(x)
是n阶线性齐次微分方程 它的n个解
其中这个齐次微分方程中的系数函数
都是区间I上的连续函数
那么我们下面三个结论是等价的
第一个结论就是说 这个函数组
在这个区间I上是线性相关的
第二个结论是说
这个函数组 它的朗斯基行列式
在区间I上的每一点都是等于零的
第三个结论是说
在这个区间上 我们村在某一点x0
使得这个函数组
它的朗斯基行列式在这一点是等于0的
说着三个结论是等价的
从这个定理我们可以知道
如果这个函数组是一个
n阶线性齐次微分方程的解函数组时
那么这个定理就告诉我们
判断它线性相关还是无关的
非常有效的方法
因为给的三个结论是等价的
我们最有用的自然是第三个
第三个告诉我们
你只要在I里面随便取一个点
如果这一点的朗斯基行列式等于0
说明这个解函数组是相关的
如果在这一点
它的朗斯基行列式不等于0
说明它是无关的
所以 我们就把判断齐次微分方程
它解函数组的相关无关问题
转化成了
求一个具体的行列式的值的问题
所以这样就得到了
一个比较好用的判别法
接下来 我们来证明一下这个定理
通过这个定理 以及咱们前面得到的
函数组线性相关的必要条件
我们知道
函数组如果线性相关的时候
我能推出它在这个区间上
任何一点的朗斯基行列式等于零
而在这个区间上
任何一点的朗斯基行列式等于零
自然能推出它在指定某一点的
朗斯基行列式等于零
所以为了证明这三个结论是等价的
我只要证明
在第三个结论成立的前提下
能把它线性相关推出来就行了
所以接下来我们证明的时候
只证这一个 就是怎么样用(3)推(1)
现在 我们的写法是这样子的
说因为我的条件是知道了
它在某一点的
朗斯基行列式是等于零的
所以说我就知道 这样说 因为这个
在x0这一点的朗斯基行列式等于0
所以我就应该存在
不全为零的c1 c2一直到cn
使得这个是对的 也就是说
c1 g1(x0)一直加 加到cn gn(x0)
它应该等于零
c1 g1它的一阶导数在x0这一点的值
一直加 加到cn 乘上
gn它的一阶导数在x0这一点的值
最后一个方程
应该就是c1 g1
它的n-1阶导数在x0这一点的值
一直加加到 cn 乘上gn
它的n-1阶导数在x0这一点的值
也等于零
因为朗斯基行列式等于零
说明与这个行列式对应的矩阵
为系数矩阵的齐次方程组
应该是有非零解
所以我们就找到一组不全为零的c
满足这个方程组
有了这个方程组之后
接下来我们就利用
得到的这一组不全为零的系数c
构造一个函数
我就令y(x)就等于
c1 g1(x)再加上c2 g2(x)
再加上cn gn(x)
也就是利用这个不全为零的系数
以及这个解函数组
我做个线性组合
就得到了一个新的函数
根据前面我们讨论过的
齐次方程组的解是有所谓的叠加原理
叠加原理指的是
如果g1 g2到gn
都是齐次方程组的解的时候
那么它的线性组合
仍然是原来这个微分方程的解
也就是说根据解的叠加原理
则y(x)也是这是我们这个齐次方程
也就是方程(*)表示的这个方程的解
而且 我们看一下
如果让它表示成y的时候
那么这n个方程 相应的就是
第一个方程指的是
y(x0)是等于0的
第二个方程应该指的是
y'在x0那点的值也等于0
这样第n个方程指的是
它的n-1阶导数
在x0那点的值还等于0
这实际就是说
这个函数它既是方程的解
又满足这些条件
这样的时候 也就是这个y(x)
是这个齐次方程定解问题的解
这个方程也就是
an(x)y的n阶导一直加到a0(x)y等于0
定解问题也就是
y(x0)等于y'(x0)等于 一直等于
y的n-1阶导 x0 都等于0
因为是个n阶微分方程
所以应该有n个定解条件
从函数值到n-1阶导数值
那 这个函数
也就是说我们得到的这个函数
就是它的解
大家注意 我们定理中
还给了一个条件
就是这个系数函数都是连续的
那么在系数函数都是连续的前提下
我们知道线性微分方程的定解问题
它的解是存在唯一的
但是 对这个特殊的定解问题来说
我们知道 Y(x)它自然是满足方程的
同时它也满足在x0这点的函数值
一直到n-1阶导数值都等于零
也就是说
这个函数也是这个定解问题的解
好 根据解的存在唯一性
我们就推出了y(x)
也就是我们这个y(x)
应该就恒等于这个Y(x)
换句话说 我们就得到了这个
c1 g1(x)一直加到cn gn(x)
它就恒等于零 这个恒等于零
是对区间上任何一点都是成立的
那么回忆一下 什么叫
函数组在一个区间上线性相关
也就是说
如果存在一组不全为零的常数
c1到cn 使得它的线性组合
在这个区间上每一点都是0的时候
我们就说它是线性相关的
这样我们就证明了
只要在一点的朗斯基行列式等于0
就说明它是线性相关的
所以说尽管对一般的函数组
我们并没有得到很好的
判断它们相关无关的方法
但是 如果这个函数组是
一个线性微分方程的解函数组的时候
我们就得到了一个非常有效的判别法
所以关于微分方程解函数组的
相关和无关的判断问题
对我们来说 就转化成了一个
求具体行列式是否为零的问题
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
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--二重极限的例题
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-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
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--偏导数的几何意义
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-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
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--全微分的概念
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-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
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--方向导数的概念
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-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
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-第一节 多元函数微分学的几何应用
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--极值点的判别法
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--条件极值问题举例
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-第三章重积分--第二节练习题
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--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
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--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
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-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
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--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
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-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
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--Gauss公式
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--势函数及其计算
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-第四章 向量分析--第五节 练习题
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-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
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-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
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--欧拉方程
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-第五章 常微分方程--第四节 练习题