常微分方程筆記(五)
前言:沒(méi)想到這個(gè)(tuo)筆(da)記(bian)已經(jīng)出到第五回了.雖然再過(guò)幾天就復(fù)試了,但是如果沒(méi)寫(xiě)完的話(huà),我還是會(huì)填完這個(gè)坑,畢竟除了要考的內(nèi)容外也還是有一些想寫(xiě)的東西,不過(guò)也許要等畢業(yè)了(?).
????這一章我認(rèn)為最基本就是Wronsky行列式,常數(shù)變易法,降階以及冪級(jí)數(shù)解法,關(guān)于常系數(shù)線(xiàn)性微分方程的解法可以和第五章的內(nèi)容結(jié)合,用線(xiàn)性方程組的方法來(lái)解,所以放到下一章來(lái)說(shuō).
第四章 高階偏微分方程
4.1 線(xiàn)性微分方程的一般理論
????n階非齊次線(xiàn)性方程組:形如
????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(4.1)
????方程(4.1)對(duì)應(yīng)的n階齊次線(xiàn)性方程組:形如
????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4.2)
????上述兩個(gè)方程中及f(t)都是a≤t≤b上的連續(xù)函數(shù).
????方程(4.1)的存在唯一性定理:如果及f(t)都是a≤t≤b上的連續(xù)函數(shù),則對(duì)于任一
及任意的
,方程存在唯一解x=φ(t)定義于a≤t≤b上,且滿(mǎn)足初值條件?
????? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4.3)
4.1.1 齊次線(xiàn)性微分方程的解的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)
????定理1(疊加原理) 如果是方程(4.2)的k個(gè)解,則它們的線(xiàn)性組合
也是方程(4.2)的解,這里
是任意常數(shù).特別的,當(dāng)k=n時(shí),即方程(4.2)有解
????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?(4.4)
????線(xiàn)性相關(guān)/無(wú)關(guān):考慮定義在a≤t≤b上的函數(shù),如果存在不全為零的常數(shù)
,使得恒等式
對(duì)于所有
都成立,我們稱(chēng)這些函數(shù)是線(xiàn)性相關(guān)的,否則就稱(chēng)這些函數(shù)在所給區(qū)間上線(xiàn)性無(wú)關(guān).
????Wronsky行列式:稱(chēng)以下定義在a≤t≤b上的k個(gè)可微k-1次函數(shù)所作成的行列式為Wronsky行列式:
????
????定理2 若函數(shù)在a≤t≤b上線(xiàn)性相關(guān),則在a≤t≤b上它們的
.
????定理3 如果方程(4.2)的解在a≤t≤b上線(xiàn)性相關(guān),則
.
????定理4 n階齊次線(xiàn)性微分方程(4.2)一定存在n個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)的解.
????定理5(通解結(jié)構(gòu))?如果是方程(4.2)的n個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)的解,則方程(4.2)的通解可表示為(4.4)的形式,其中
是任意常數(shù),且通解(4.4)包含了方程(4.2)的所有解.
????推論?方程(4.2)的線(xiàn)性無(wú)關(guān)解最多為n個(gè).因此可得結(jié)論:n階齊次線(xiàn)性微分方程的所有解構(gòu)成一個(gè)n維線(xiàn)性空間.方程(4.2)的一組n個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)解稱(chēng)為方程的基本解組.顯然,基本解組不是唯一的.特別的,當(dāng)時(shí)稱(chēng)其為標(biāo)準(zhǔn)基本解組.
????Liouville公式:設(shè)是方程(4.2)的任意n個(gè)解,它們所構(gòu)成的Wronsky行列式滿(mǎn)足一階線(xiàn)性微分方程
????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(4.5)
因而有
????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4.6)
4.1.2 非齊次線(xiàn)性方程組與常數(shù)變易法
????兩個(gè)性質(zhì):(1)如果是方程(4.1)的解,而x(t)是方程(4.2)的解,則
也是方程(4.1)的解.
(2)方程(4.1)的任意兩個(gè)解之差必為方程(4.2)的解.
????定理6 設(shè)是方程(4.2)的基本解組,而
是方程(4.1)的某一解,則方程(4.1)的通解可表示為
?????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4.7)
其中是任意常數(shù),且該通解(4.5)包含了方程(4.1)的所有解.
????常數(shù)變易法:設(shè)是方程(4.2)的基本解組,則方程(4.2)的通解為?
? .把其中的任意常數(shù)
看成是
,得
?????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?(4.8)
求導(dǎo)得:??? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?(4.9)
令含有的部分等于0,得到第一個(gè)條件
?????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ??(4.10)
???????? ? ? ? ? ?? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4.11)
????將(4.11)式再對(duì)t求導(dǎo),令含有的部分等于0,得到第二個(gè)條件?
,取剩余部分再求導(dǎo).這樣反復(fù)至得到第j(j=1,2,...,n-1)個(gè)條件
????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(4.12)
和表達(dá)式
??????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????(4.13)
????j=n-1時(shí),對(duì)(4.13)求導(dǎo)得?????(4.14)
????將(4.13)式當(dāng)j=1,2,...,n-1時(shí)的表達(dá)式都代入至(4.14),注意到是方程(4.2)的解,得到最后一個(gè)條件
????? ? ? ? ? ? ? ? ?(4.15)
聯(lián)立(4.12)式當(dāng)j=1,2,...,n-1時(shí)的方程以及(4.15)式可得線(xiàn)性方程組,其系數(shù)行列式正是,因而方程組的解可唯一確定.設(shè)求得
????
積分得:
這里是任意常數(shù).將所得
的表達(dá)式代入(4.8),即得方程的(4.1)的解
?????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4.16)
顯然,它也是方程(4.1)的通解.得到方程的一個(gè)解,只需要給定常數(shù)即可.
4.3 高階微分方程的降階和冪級(jí)數(shù)解法
4.3.1 可降階的一些方程類(lèi)型
????n階微分方程一般可寫(xiě)為.
????三類(lèi)特殊方程的降階問(wèn)題:
????(1)方程不顯含未知函數(shù)x,或更一般地,設(shè)方程不含,即方程形如
????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4.17)
若令,則方程即降為關(guān)于y的n-k階方程
?????? ? ? ? ? ??? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(4.18)
????如果能夠求得方程(4.18)的通解,即得 ?.再經(jīng)過(guò)k次積分得到?
,其中
是任意常數(shù),這就是方程(4.17)的解.
????(2)不顯含自變量t的方程
?????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(4.19)
若令x'=y,并以它為新未知函數(shù),而視x為新自變量,則方程就可降低一階.
????事實(shí)上,在所作的假定下,.可用數(shù)學(xué)歸納法證明,
可用
表示(k≤n).將這些表達(dá)式代入(4.19)就得到
,這是關(guān)于x,y的n-1階方程,比原方程(4.19)低一階.
????(3)已知齊次線(xiàn)性微分方程(4.2)的k個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)解為,令
,直接計(jì)算可得
????.
????代入(4.2)可得:
??
? 這是關(guān)于y的n階方程,且各項(xiàng)系數(shù)是t的已知函數(shù),而y的系數(shù)恒等于0,因?yàn)??是方程(4.2)的解.因此,如果引入新未知函數(shù)z=y',并在
的區(qū)間上用
?除方程的各項(xiàng),我們便能得到形如下列的n-1階齊次線(xiàn)性微分方程:
????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4.20)
????方程(4.20)的解與(4.2)之間解的關(guān)系:或
.由此可得方程(4.20)的線(xiàn)性無(wú)關(guān)解
,又可重復(fù)上面的操作進(jìn)行降階.
4.3.2 二階線(xiàn)性微分方程的冪級(jí)數(shù)解法
????考慮二階齊次線(xiàn)性微分方程
????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4.21)
滿(mǎn)足初值條件的情況.
????定理7 若方程(4.21)中系數(shù)p(x)和q(x)都能展開(kāi)成的冪級(jí)數(shù),且收斂區(qū)間為
,則方程(4.21)有形如
????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4.22)
的特解,也以為收斂區(qū)間.
????定理8?若方程(4.21)中系數(shù)p(x)和q(x)不能展開(kāi)為的冪級(jí)數(shù),但
均可展開(kāi)成
的冪級(jí)數(shù),且收斂區(qū)間為
,若
,則方程(4.21)有形如
????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(4.23)
的特解,α是一個(gè)待定的常數(shù).級(jí)數(shù)(4.21)也以為收斂區(qū)間.若
,或更一般地,
,但
,則引入記號(hào)
,則
????? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? (4.23)*
這里?,β仍為待定常數(shù).
(P.S. 4.3最后還有一個(gè)Bessel方程,以及兩類(lèi)Bessel函數(shù),但是看的北大版和王版里表述一樣,所以這里沒(méi)放上來(lái),有空的時(shí)候來(lái)填這個(gè)坑.
P.S.S. 因?yàn)閎站專(zhuān)欄只讓放100個(gè)公式,所以有些地方就沒(méi)打公式,做的比較粗糙,阿巴阿巴.)
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