【习题】5.1 一阶线性微分方程的基本概念

[T050101]An×n 常数矩阵, Φ(t) 是方程组 X=AX 的标准基解矩阵 (Φ(0)=E), 证明 Φ(t)Φ1(t0)=Φ(tt0), 其中 t0 是常数.

     由题设可知 Φ(t)=AΦ(t), 将 t 换为 tt0, 则 Φ(tt0)=AΦ(tt0), 故 Φ(tt0) 是方程组 X=AX 的解矩阵. 又当 t=t0detΦ(0)=1, 故 Φ(tt0) 是方程组 X=AX 的基解矩阵. 于是存在 n 阶非奇异常数矩阵 C, 使得 Φ(tt0)=Φ(t)C, 再令 t=t0, 有 E=Φ(t0)C, 得 C=Φ1(t0), 故 Φ(tt0)=Φ(t)Φ1(t0). #


[T050102] (Liouville公式) 设 X1(t),X2(t),,Xn(t) 是齐次线性方程组 X(t)=A(t)X(t) 的任意 n 个解, 则它们的 Wronski 行列式 W(t) 满足一阶线性微分方程

W(t)=[a11(t)+a22(t)++ann(t)]W(t),

因而有

W(t)=W(t0)et0t[a11(t)+a22(t)++ann(t)] ds,t,t0[a,b].

    Xi(t)=(xi1(t),,xin(t))T, 则

W(t)=|X1(t),,Xn(t)|=|x11(t)x21(t)xn1(t)x12(t)x22(t)xn2(t)x1n(t)x2n(t)xnn(t)|

由行列式求导法则知

W(t)=|x11(t)x21(t)xn1(t)x12(t)x22(t)xn2(t)x1n(t)x2n(t)xnn(t)|+|x11(t)x21(t)xn1(t)x12(t)x22(t)xn2(t)x1n(t)x2n(t)xnn(t)|++|x11(t)x21(t)xn1(t)x12(t)x22(t)xn2(t)x1n(t)x2n(t)xnn(t)|=|i=1na1ix1i(t)i=1na1ix2i(t)i=1na1ixni(t)x12(t)x22(t)xn2(t)x1n(t)x2n(t)xnn(t)|+|x11(t)x21(t)xn1(t)i=1na2ix1i(t)i=1na2ix1i(t)i=1na2ix1i(t)x1n(t)x2n(t)xnn(t)|++|x11(t)x21(t)xn1(t)x12(t)x22(t)xn2(t)i=1nanix1i(t)i=1nanix1i(t)i=1nanix1i(t)|=|a11x11(t)a11x21(t)a11xn1(t)x12(t)x22(t)xn2(t)x1n(t)x2n(t)xnn(t)|++|x11(t)x21(t)xn1(t)x12(t)x22(t)xn2(t)annx1n(t)annx2n(t)annxnn(t)|=[a11(t)+a22(t)++ann(t)]W(t).

求解上述微分方程得

W(t)=cet0t[a11(t)+a22(t)++ann(t)] ds

W(t0)=c, 故

W(t)=W(t0)et0t[a11(t)+a22(t)++ann(t)] ds,t,t0[a,b].#

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