[T050101] 设 A 为 n×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)Φ−1(t0)=Φ(t−t0), 其中 t0 是常数.
证 由题设可知 Φ′(t)=AΦ(t), 将 t 换为 t−t0, 则 Φ′(t−t0)=AΦ(t−t0), 故 Φ(t−t0) 是方程组 X′=AX 的解矩阵. 又当 t=t0 时 detΦ(0)=1, 故 Φ(t−t0) 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(t−t0)=Φ(t)C, 再令 t=t0, 有 E=Φ(t0)C, 得 C=Φ−1(t0), 故 Φ(t−t0)=Φ(t)Φ−1(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)⋅e∫tt0[a11(t)+a22(t)+⋯+ann(t)] ds,t,t0∈[a,b].
证 记 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)=∣∣
∣
∣
∣
∣∣x′11(t)x′21(t)⋯x′n1(t)x12(t)x22(t)⋯xn2(t)⋮⋮⋮x1n(t)x2n(t)⋯xnn(t)∣∣
∣
∣
∣
∣∣+∣∣
∣
∣
∣
∣∣x11(t)x21(t)⋯xn1(t)x′12(t)x′22(t)⋯x′n2(t)⋮⋮⋮x1n(t)x2n(t)⋯xnn(t)∣∣
∣
∣
∣
∣∣+⋯+∣∣
∣
∣
∣
∣∣x11(t)x21(t)⋯xn1(t)x12(t)x22(t)⋯xn2(t)⋮⋮⋮x′1n(t)x′2n(t)⋯x′nn(t)∣∣
∣
∣
∣
∣∣=∣∣
∣
∣
∣
∣
∣∣n∑i=1a1ix1i(t)n∑i=1a1ix2i(t)⋯n∑i=1a1ixni(t)x12(t)x22(t)⋯xn2(t)⋮⋮⋮x1n(t)x2n(t)⋯xnn(t)∣∣
∣
∣
∣
∣
∣∣+∣∣
∣
∣
∣
∣
∣∣x11(t)x21(t)⋯xn1(t)n∑i=1a2ix1i(t)n∑i=1a2ix1i(t)⋯n∑i=1a2ix1i(t)⋮⋮⋮x1n(t)x2n(t)⋯xnn(t)∣∣
∣
∣
∣
∣
∣∣+⋯+∣∣
∣
∣
∣
∣
∣∣x11(t)x21(t)⋯xn1(t)x12(t)x22(t)⋯xn2(t)⋮⋮⋮n∑i=1anix1i(t)n∑i=1anix1i(t)⋯n∑i=1anix1i(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)=ce∫tt0[a11(t)+a22(t)+⋯+ann(t)] ds
又 W(t0)=c, 故
W(t)=W(t0)⋅e∫tt0[a11(t)+a22(t)+⋯+ann(t)] ds,t,t0∈[a,b].#
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