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 > 线性微分方程解的结构
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
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-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
-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
--隐函数存在定理
--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
-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
--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)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-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
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
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--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-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
-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
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--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
-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
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--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-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
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-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
-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
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题