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线性微分方程解的结构在线视频

线性微分方程解的结构

下一节:视频5--17 二阶线性齐次微分方程的特征法

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线性微分方程解的结构课程教案、知识点、字幕

前面我们介绍了

函数族线性相关线性无关的概念

而且我们知道 对于线性齐次方程来说

它的解函数族 我们如何判断

它的线性相关 线性无关

也就是利用它的朗斯基行列式的值

是否等于零来做判断

接下来 我们来看一下

线性齐次方程组 它的解空间的问题

我们现在考虑

这个一般的n阶线性齐次方程

也就是an x y的n阶导数

加上a n-1 x y的n-1阶导数

一直加到a1 x y的一阶导数

加a0 x y

我们假设这个系数函数都是连续函数

也就是ak x

都是在某一个区间上的连续函数

根据前面我们介绍的

线性齐次方程它解的性质

我们知道它的解集合

对线性运算是封闭的

那么 对线性运算封闭的集合

我们知道叫线性空间

接下来 我们给出一个结论

也就是n阶线性齐次方程的解集合

不仅是一个线性空间

而且它应该是一个有限维的线性空间

线性空间的维数

与这个方程的阶数是一样的

为了证明这个结论

我们利用构造性的方法来做证明

也就是说 我们要想办法

找到这个n阶线性齐次方程的

n个线性无关的解

同时 我们还要证明 它的任何一个解

都可以用这n个线性无关的解线性表出

如果做了这两件事情

我们就可以说清楚它的解集合

就是一个n维的线性空间

为了说这件事 我们考虑这个向量

也就是 ek 等于0 0 1 0 0

也就是说 ek这个向量

在它的第k个分量上的值是等于1的

在其它分量上的值都是等于零

实际上这就是我们比较熟悉的

那个 n维的单位向量

然后我们让k从1 2 一直取到n

这应该是 Rn中的一组标准基

也就是说是一个线性无关的

而且是正交的单位向量

现在我们就考虑这个方程

在相应的定解条件问题下的解

我们把这个方程记成星

这样我们就考虑这个方程

在这个定解条件下的问题

譬如说 我们的y在x0这点的函数值

y在x0这点的一阶导数值

以及y在x0这点的n-1阶导数值

我们就让它构成一个向量

这个向量就等于ek

那么对确定的k来说

这就是这个方程的

一个具体的定解问题

那么 我们根据线性方程

在系数函数连续的前提下

它的任何初值问题

得到的定解问题的解

都是存在而且唯一的

所以说 对于定解条件是ek的时候

我们会得到一个解

这个解我们就记成gk x

那么k等于1的时候得到g1 x

k等于2的时候得到g2 x

当然k等于n的时候我们就会得到gn x

这样我们就得到了 这个方程的n个解

现在 我们证明这n个解就是线性无关的

根据我们前面得到的结果

证明它线性无关 我们只要来求

这n个函数 它的朗斯基行列式

是否在一点等于零还是不等于零就可以了

我们就考虑这个初始点

那么在这一点的时候 根据这个定解条件

那么 它的朗斯基行列式

在这一点 应该就是

1 0 0 0 1 0 然后 0 0 1

实际上 这就是一个n阶单位矩阵的行列式

这个行列式当然是等于1 它不等于零

也就是说 这个解函数族

在这一点的朗斯基行列式是不等于零的

这意味着 这个解函数族

也就是gk x k从1到n 这个解函数族

应该是线性无关的

这样 它的线性无关性

我们就得到了证明

接下来 我们来看另外一件事情

对于这个方程的任何一个解

我们能不能证明 这个解

能被这个线性无关的解函数族 线性表出

也就是说 我假设

譬如说大y x 是这个方程的解

而且是没做任何限制

当然给了这个大y x之后

我就知道它在这个x0这点

函数值 一阶导数值

相应的等于什么

也就是 我再设 就是 不妨设这个函数

它在这一点的函数值就等于alpha 1

然后 它在这一点的一阶导数值

就等于alpha 2

这样一直到

它在这一点的n-1阶导数值

就等于alpha n

这个alpha 1到 alpha n

是我们这个解给出了之后

我们就得到的

我的这个解给了之后

alpha 1 alpha 2 到alpha n就是已知的

现在 我就再令一个函数 我记成y x

它就等于alpha 1 g1 x

加上alpha 2 g2 x

再加 加到alpha n gn x

这个 应该就是我们这个

解函数族的一个线性组合

根据线性齐次方程微分方程它的解的性质

我们知道 它的解

做任何线性组合得到的函数

仍然还是它的解 所以说 我们就知道

这个y x 这个函数应该就满足这个方程

满足这个微分方程

接下来 我们再看一下

这个函数在x0那一点

它的函数值等于什么

也就是说 用y x0

那么 大家在这个地方

g1 x0 g2 x0 一直gn x0

根据我们这个gk满足的定解条件

我们知道 在x0这一点

g1 x0是等于1的 g2到gn x0是等于零的

所以它应该就等于alpha 1

接下来 我们看一下

它的一阶导数在x0这一点等于什么

那大家在这个等式两端关于x求导

所以说 y的一阶导数

应该是g1 g2 gn的一阶导数

做同样的线性组合

那么 它们在x0这点的导数值

g1一撇x0是等于零的

g2一撇x0是等于1的

已知g3 到gn它的一阶导数

在x0这一点是等于零的

所以我们代进去

我们知道这个是等于alpha 2的

当然 我们同样的方法可以验证

它的二阶导数在x0这点的值是alpha 3

一直到它的n-1阶导数在x0这点的值

应该就是alpha n

那有了这两条 大家看一下

实际上我就证明了

这个函数y x与这个函数大y x

它满足的定解条件是一样的

我们又知道

在这个系数函数连续的前提下

这个齐次微分方程

它的定解问题的解是存在唯一的

所以说 我们根据唯一性 就证明了

则 这个大y x

与这个小y x就是同一个函数

也就是即我们的大y x就可以写成

alpha 1 g1 x加上alpha 2 g2 x

再加上alpha n gn x

这个等式也就说明了

对于我们这个线性齐次微分方程的

任何一个解大y x来说

我们都可以把它表示成

刚才咱们得到的

这n个线性无关解的线性组合

这样我们就证明了

一开始我们说的两个问题

一个 我们找到了一族

含有n个解函数的线性无关的函数族

同时 我们又证明了

这个函数族 它的线性组合

可以表示任何给出的微分方程的解

所以说 这个n阶线性齐次微分方程

它的解集合 就是一个n维的线性空间

那么对于n维的线性空间来说

我们要想把它表示清楚 只要想办法

找到它的n个线性无关的解就可以了

所以说 有了这个结论之后 我们就知道

齐次微分方程

把它的通解表示出来的方法

也就是y x等于一个

k从1到n alpha k gk x

其中 gk x是它的一族

线性无关的解函数

如果我们想 把非齐次的通解表示清楚

也就是非齐次的

我们就可以这样表示

就是y x就等于一个y星x

加上k从1到n alpha k gk x

因为我们知道

根据非齐次方程解的性质

那么非齐次方程的任意两个解 作差

应该就是它对应的齐次方程的解

所以说 如果y星 是非齐次方程的一个解

y是非齐次方程的解的时候

这个差是可以用这个来表示的

那么 我们对一般的非齐次方程来说

我们假设y星是一个特解

而后面这个当然就是

它对应的齐次微分方程的通解

那么在通解的基础上加上特解

就应该能够表示

非齐次方程的任意一个解

这就是我们得到的

关于线性微分方程解的结构的结论

无论是齐次还是非齐次

我们在理论上都得到了很漂亮的结果

有了这个结论之后

接下来我们的问题主要就是想办法去找

它线性无关的解 或者是说

想办法去找非齐次方程的特解就可以了

微积分——多元函数与重积分课程列表:

第一章 多元函数微分学

-第一节 多元连续函数

--向量的内积与长度-1

--向量的内积与长度-2

--R^n中的点列的收敛性

--内点、外点、边界点-1

--内点、外点、边界点-2

--开集、闭集、区域

--多元函数的有关概念

--二重极限的定义

--二重极限的例题

--二次极限的定义

--连续与一致连续的定义

--连续函数的性质-1

--连续函数的性质-2

--连续函数的性质-3

-第一章 多元函数微分学--第一节练习题

-第二节 多元函数的偏导数

--偏导数的概念

--偏导数的几何意义

--高阶偏导数的概念

--混和偏导数与求导顺序无关的条件

-第一章 多元函数微分学--第二节练习题

-第三节 多元函数的全微分

--全微分的概念

--可微的必要条件

--可微的充分条件

--可微的充要条件

--多元函数的原函数

-第一章 多元函数微分学--第三节练习题

-第四节 多元函数的微分法

--复合函数微分法之一

--复合函数微分法之二

--复合函数求导数(举例)

--隐函数存在定理

--隐函数求导法(举例)

--隐函数组求导法

-第一章 多元函数微分学--第四节练习题

-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量

--方向导数的概念

--方向导数的计算

--梯度向量的概念与计算

-第一章 多元函数微分学--第五节练习题

-第六节 映射及其微分

--映射与连续映射的概念

--映射的导数、微分、雅克比矩阵

--复合映射的微分法

-第一章 多元函数微分学--第六节练习题

-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)

--二元函数有Peano型余项的Taylor公式

--二元函数有Peano型余项的Taylor公式-2

--二元函数带有Lagrange型余项的泰勒公式

-第一章 多元函数微分学--第七节练习题

第二章 多元函数微分学应用

-第一节 多元函数微分学的几何应用

--空间曲线的切线与法平面(之一)

--空间曲线的切线与法平面(之二)

--空间曲线的切线与法平面问题举例

--曲面的切平面与法线(之一)

--曲面的切平面与法线(之二)

--曲面的切平面与法线(之三)

--曲面的切平面与法线问题举例

-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题

-第二节 多元函数的极值

--极值点的概念和必要条件

--极值点的判别法

--极值问题举例

-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题

-第三节 多元函数的条件极值

--二元函数条件极值问题的提法

--三元函数条件极值问题的提法(之一)

--三元函数条件极值问题的提法(之二)

--条件极值问题的直接解法

--条件极值问题的Lagrange解法

--条件极值问题举例

--多元函数在有界闭域上的最值

--最小二乘法

-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题

第三章重积分

-第一节 二重积分的概念和性质

--二重重积分引入

--二重积分定义

--二重积分性质

--关于二重积分性质的例题

-第二节 二重积分的计算

--二重积分的计算:直角坐标系(1)

--二重积分的计算:直角坐标系(2)

--二重积分的计算:直角坐标系(3)

-第三章重积分--第二节练习题

-第三节 极坐标系及一般坐标系

--极坐标系

--一般坐标系

--二重积分的一般坐标变换公式

--二重积分的计算:极坐标系

--二重积分的计算:极坐标系例题

--二重积分的计算:一般坐标系例题

-第三章重积分--第三节练习题

-第四节 三重积分

--三重积分的引入

--三重积分的定义

--三重积分的性质

--直角坐标系

--三重积分的计算:例题(1)

--三重积分的计算:例题(2)

--空间坐标变换

--空间柱坐标系

--空间柱坐标系例题(1)

--空间柱坐标系例题(2)

--球坐标系

--球坐标系例题

-第三章重积分--第四节 练习题

-第五节 第一类曲线积分

--第一类曲线积分的引入

--第一类曲线积分的定义

--第一类曲线积分的性质

--第一类曲线积分的计算公式

--第一类曲线积分的计算例题

-第三章重积分--第五节 练习题

-第六节 第一类曲面积分

--第一类曲面积分的引入

--第一类曲面积分的定义

--第一类曲面积分的性质

--第一类曲面积分的计算公式

--第一类曲面积分的计算例题(1)

--第一类曲面积分的计算例题(2)

-第三章重积分--第六节 练习题

-第七节 含参变量积分

--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

--广义含参积分的连续性和积分导数

-第三章重积分--第七节 练习题

第四章 向量分析

-第一节 第二类曲线积分

--第二类曲线积分的引入

--第二类曲线积分的定义

--第二类曲线积分的性质第二类曲线积分的性质

--第二类曲线积分的性质

-第四章 向量分析--第一节 练习题

-第二节 Green公式及其应用

--平面第二类曲线积分:Green公式

--平面第二类曲线积分的计算:利用Green 公式

-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

--第二类曲面积分的引入

--第二类曲面积分的定义与性质

--第二类曲面积分的计算

-第四章 向量分析--第三节 练习题

-第四节 Gauss公式与Stokes公式

--Gauss公式

--第二类曲面积分的计算:Gauss公式

--Stokes公式及其应用

-第四章 向量分析--第四节 练习题

-第五节 无源场,保守场与调和场

--平面保守场

--势函数及其计算

--空间保守场

--常见的场

-第四章 向量分析--第五节 练习题

第五章 常微分方程

-第一节 微分方程的基本概念

--微分方程概念举例

--微分方程的基本概念

--一阶微分方程定解问题解的存在唯一性

-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)

--变量分离方程

--齐次型方程

--可化为齐次型方程的方程

--一阶线性微分方程的概念和解的性质

--一阶线性微分方程的解法

--Bernoulli方程

--可降阶方程(之一)

--可降阶方程(之二)

-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

--线性微分方程解的性质

--函数组线性相关(无关)的概念

--函数组线性相关的必要条件

--线性微分方程解函数组线性相关的判别法

--线性微分方程解的结构

-第五章 常微分方程--第三节 练习题

-第四节 高阶线性常系数微分方程

--视频5--17 二阶线性齐次微分方程的特征法

--n阶线性齐次微分方程的特征法

-- 线性齐次微分方程的特征法举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之一)举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之二)

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之二)举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的变动任意常数法

--二阶线性微分方程的变动任意常数法

--二阶线性微分方程的变动任意常数法(之二)

--欧拉方程

--欧拉方程举例

-第五章 常微分方程--第四节 练习题

线性微分方程解的结构笔记与讨论

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