精选习题第五章线性微分方程组

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常微分方程第五章线性微分方程组(3)

是齐次方程组(5.2)的通解,其中为n个任意常数.
推论5.4 线性齐次方程组(5.2)的线性无关解的个数不能多于n 个.
3．刘维尔公式齐次方程组(5.2)的解和其系数之间有下
列联系. 定理5.7 如果
是齐次方程组(5.2)的n个解，则这n个解的朗斯基行列式与方程组(5.2)的系数有如下关系式
实际上，这个推论是定理5.3的逆否命题. 推论5.2 如果方程组(5.8)的n个解的朗斯基行列式 W(x)在其定义区间I上某一点x0等于零，即
则该解组在I上必线性相关.
实际上，这个推论是定理5.4的逆否命题.
推论5.3 方程组(5.2)的n个解在其定义区间I 上线性无关的充要条件是它们的朗斯基行列式 W(x)在I上任一点不为零.
条件的充分性由推论5.1立即可以得到．必要性用反证法及推论5.2证明是显然的．证毕．
2．一阶线性齐次微分方程组解空间的结构．
我们把一阶线性齐次方程组(5.2)的n个线性无关解称为它的基本解组.
例4 易于验证向量函数
是方程组
的基本解组. 定理5.5 方程组(5.2)必存在基本解组.
定理5.6 如果是齐次方程组(5.2)的基本解组，则其线性组合
的一阶微分方程组。
含有n个未知函数的一阶微分方程组的一般形式为：
此方程组在
上的一个解，是这样的一组函数
使得在
上有恒等式
含有n个任意常数的解
称为方程组的通解. 如果通解满足方程组
则称后者为(1)的通积分. 如果已求得(1)的通解或通积分，要求满足初始条件
的解，可以把此初始条件代入通解或通积分之中，得到关于的n个方程式，如果从其中解得
这个关系式称为刘维尔(Liouville)公式.

微分方程数值解第五章答案

第五章1,0,0, (,0)1/2,0,0,0.x u uu x x t x x ⎧<⎪∂∂+==⎨∂∂⎪>⎩1. 对初值问题=2试分别用左偏心格式、LW 格式计算其数值解u , k =1,2,3,4, 取/1/h τ=.k 解: 矩形网格剖分区域. 取空间步长h , 时间步长τ的矩形网格剖分区域, 用节点表示坐标点0,1,2,...;j =±±(,)j k (,)(,)j k x t jh k τ=,0,1,2,3,4.k =0=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂kjk j x u t u （1）左偏心格式：，在t 上用向前差商，x 上用向后差商，得011=−+−−+hu u u u kj k j k jk j τ中国地质大学(北京)廉海荣编 1，因为2/1/=h τ，整理得到k j k j k ju u u 212111+=−+ 把已知条件离散成，则可以根据下一层求上一层的值得到，=1，2，3，4，下图中节点处值即为求出来的值：⎪⎩⎪⎨⎧>=<0,00,2/10,1j j j =0j u k k u k uLW 格式： )2(2)(21122111kj k j k j k j k j k jk ju u u r a u u ar u u−++−−=−+−++ 在本题中,2/1/,1===h r a τ,整理得到：中国地质大学(北京)廉海荣编 2k j k j k j k ju u u u 111814383+−+−+=，同理可根据边值条件，根据下一层求上一层的值得到，k =1，2，3，4，下图中节点处值即为求出来的值：⎪⎩⎪⎨⎧>=<0,00,2/10,1j j j =0j u k u k u0, 0,0x<, u(x,0)=(x), 0x<, u(0,t)=(t), 0. u u a t T t x t T ϕψ∂∂⎧+=<≤<∞⎪∂∂⎪≤∞⎨⎪≤≤⎪⎩中国地质大学(北京)廉海荣编32. 试对初边值问题其中建立以下差分格式 0a >111102k k k k j jj j u u u u ahτ++++−−−+=1,（a ）1111111()222k k k k k kj jj j j j u u u u u u a h hτ++++−+−−−−++（b ）0=. 试分析它们的稳定性。

《常微分方程》第五章练习题

x
y
C1
e3t 2e3t
C2
et 2et
3、满足初值条件的解为
~
(t )
et e t
4、方程组的通解为
x y
C1e2t
4 5
C2e7t
1 1
。
4
5、所求基解矩阵为 (2 e
3t
3)e
3t
e 3t (2 3)r
3t ．
6、 (t )
e3t [E
t(A
3E)]
A1 (t)
A2 (t)
，t
(a,b) .
部分参考答案一、填空题
1、 (t) (t)C
2、(t) exp[(t t0 )A]
t t0
exp[(t s)A] f (s)ds
3、必要
t t0
1 (s) f
(s)ds
三、计算题
1、
A
4 3
3
4
2、原方程组的通解为
x ' Ax ce mt 有一解形如(t) pemt ，其中 c ， p 是常数向量．
3
4、证明：如果 φ(t) 是方程组 x Ax 满足初始条件 φ(t0 ) η 的解，那么
φ(t) [exp A(t t0 )]η 。
5、证明：如果 Φ(t),Ψ (t) 在区间 a t b 上是 n 阶线性方程组
1、向量
X1
(t)
2et 0
，
X
2
(t)
t 2et et
的伏朗斯基行列式
W (t) =（
）．
A 、0 ； B 、 tet ； C 、2 e t ； D 、2 e2t ．
2、有关矩阵指数 exp A 的性质，以下说法正确的是（）

线性代数第五章练习及解答

对应于同一特征值的不同特征向量的非零线性组合是 A 的特征向量。证明由本节第 3 题可知属于不同特征值的特征向量的和不是特征向量，而属于同一特征值的不同特征向量满足
Aξ1 = λξ1 , Aξ2 = λξ2 , 于是 A(k1 ξ1 + k2 ξ2 ) = k1 Aξ1 + k2 Aξ2 = λ(k1 ξ1 + k2 ξ2 ) 由定义命题得证 11.λ ̸= 0 是矩阵 A 的特征值，求 A−1 , A⋆ 的特征值。
证明：因为 A + E = A + AAT = A(A + E )T ，那么 |A + E |(1 − |A|) = 0，于是 |A + E | = 0, 即 λ = −1 是 A 的一个特征值
5. 设 A1 , A2 , A3 是 3 个非零的 n 阶矩阵 n ≥ 3 , 满足 A2 i = Ai (i = 1, 2, 3), 且 Ai Aj = O (i ̸= j ; j = 1, 2, 3)
1
若 Ai 有非零和 1 的特征值 λ，由于 λ2 − λ = 0, 故有且仅有 0 和 1 为特征值
(2) 若 Aj ξ = ξ, 那么 Ai (Aj ξ ) = Ai ξi , 即 Ai ξ = 0ξ (3) 反证，若三个向量线性相关不妨设 α3 = k1 α1 + k2 α2
那么 A3 α3 = k1 A3 α1 + k2 A3 α2 , 由 (2) 知 A3 αj = 0(j = 1, 2) 那么 α3 = 0 与特征向量的定义矛盾 2 0 0 2 0 0 与 B = 6. 已知矩阵 A = 0 0 y 0 0 1 0 0 −1 0 1 x P −1 AP = B

常微分方程--第五章线性微分方程组(5.1-5.2节)

5.3.1 常系数线性齐次微分方程组 5.3.2 常系数非齐次线性微分方程组
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5.1微分实例及有关概念多回路的电路问题考虑多个回路的电路，
E (t )
L
C
R1
R2

E (t ) 是电源电压， L 是电感，C 是电容器电容,
R1 , R2 是电阻， i1 是通过 L 的电流， i2 是通过
T
A (aij ) nn
满足初始条件 x(t0 ) x0 , y(t0 ) y0 , z (t0 ) z0 的解 x(t ), y (t ), z (t ).
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事实上, 在第4 章中的高阶微分方程
y
( n)
( n 1) f ( x, y, y , y ).
令 y y1 , y y2 , y ( n1) yn1 , 则上式可以化为方程组
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通解及通积分含有n个任意常数 c1 , cn 的解
x1 1 (t , c1 , cn ) x (t , c , c ) n 1 n n 为方程组的通解 . 这里 c1 , c2 ,, cn 相互独立.
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如果通解满足方程组
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上面方程组第二式两边对t求导得
di1 L R1 (i1 i2 ) E (t ) dt R ( di2 di1 ) R di2 1 i 0 1 2 2 dt dt dt c
解得

【典型例题】第五章线性微分方程组

第五章线性微分方程组5-1 考虑方程组x A x )(t dtd = （1）其中)(t A 是区间b t a ≤≤上的连续n n ⨯矩阵，它的元素为n j i t a ij ,,2,1,),( =，1）如果)(,),(),(21t t t n x x x 是（1）的任意n 个解，那么它们的朗斯基行列式)()](,),(),([21t W t x t x t x W n ≡ 满足下面的一阶线性微分方程W t a t a t a W nn )]()()([2211+++=' （2）； 2）解上面的一阶线性微分方程，证明下面的公式：],[,,)()(0)]()([0011b a t t et W t W tt nn dss a s a ∈=⎰++ 。

证 1）根据行列式的微分公式)()()()()()()()()()()()()()()()()()()(122111112211111221111t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t W nnnn n nn n n n nn n n n ''++''+''='（3）由于)(,),(),(21t t t n x x x 是（1）的解，所以⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛='∑∑∑===nj jk nj nj jk j n j jk j nk k k nn n n n k t x t a t x t a t x t a t x t x t x t a t a t a t a t a t a t 11211211221111)()()()()()()()()()()()()()()()(x ，所以∑==='nj jk ijikn k i t x t at x 1),,2,1,(),()( )(，把这些等式代入（3）的右端，化简计算每个行列式，如（3）式右端第一项等于)()()()()()()()()()()()()()()()()(11122111111122111111t W t a t x t x t x t x t x t x t a t x t x t x t x t x t at x t ann n n n nn n n nj jn jn j j j==∑∑==类似地可以算出（3）式右端其它各项分别为)()(,),()(22t W t a t W t a nn ，代入（3）得W t a t a t a W nn )]()()([2211+++=' （2）2）方程（2）是关于)(t W 的一阶线性微分方程，分离变量可求得通解为 ⎰++=tt nn dss a s a Cet W 011)]()([)( ，C 为任意常数。

刘迎东微积分第五章习题5.6答案

5.6高阶线性微分方程习题5.61. 下列函数组在其定义区间内哪些是线性无关的？（1）2,x x 解：2xx ≠常数，所以线性无关。

（2）,2x x 解：122x x =为常数，所以线性相关。

（3）22,3xxe e 解：22133x x e e =为常数，所以线性相关。

（4）,xxe e −解：xx e e−≠常数，所以线性无关。

（5）cos 2,sin 2x x 解：cos 2sin 2xx≠常数，所以线性无关。

（6）22,x x e xe 解：22x x e xe≠常数，所以线性无关。

（7）sin 2,cos sin x x x 解：sin 22cos sin xx x=为常数，所以线性相关。

（8）cos 2,sin 2xxe x e x 解：cos 2sin 2x x e x e x≠常数，所以线性无关。

（9）ln ,ln x x x 解：ln ln xx x≠常数，所以线性无关。

（10）(),axbxe ea b ≠解：axbx e e≠常数，所以线性无关。

（11）,xxe xe 解：xx e xe≠常数，所以线性无关。

2. 验证函数与在(上都是二阶线性齐次微分方程xy e =xy e −=)x −,−∞+∞"0y y −=的解。

求它的通解，并求方程"1y y −=−的通解。

解：()，所以函数()"",x x x ee e e −==x y e =与x y e −=在(),−∞+∞上都是二阶线性齐次微分方程的解。

它的通解为"0y y −=12.x y C e C e x −=+可观察出1y =为方程 "1y y −=−的特解，所以它的通解为121.x x y C e C e −=++3. 验证函数在1,sin ,cos y y x y ===x (),−∞+∞上都是三阶线性齐次微分方程"''0y y +=的解。

线性微分方程组习题1,2

若是k重根r 重根
若是k重共轭复根α ± iβ
通解中的对应项
(C0 + C1t + L + Ck −1t k −1 )e rt
[(C0 + C1t + L + Ck −1t k −1 ) cosβt + ( D0 + D1t + L + Dk −1t k −1 ) sinβt ]e αt
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4. 设 Φ( t ) 为方程 x ′ = Ax ( A为n × n常矩阵 ) 的标准基解矩阵（，对任意矩阵（即 Φ (0) = E ）对任意 t , t 0 ∈ R ，证明，
Φ( t )Φ −1 ( t 0 ) = Φ( t − t0 )
Φ−1 (t0 )存在；证明：为基解矩阵知存在；证明：由 Φ (t ) 为基解矩阵知，对∀t 0 ∈ R ，
习题5.1 习题
0 1 1. 给定方程组 x ′ = x −1 0 x1 x= x2
cos t sin t 分别是方程组(*) a) 试验证 u( t ) = , v ( t ) = cos t 分别是方程组 − sin t 1 0 的解。的满足初始条件 u(0) = , v ( t ) = 的解。 0 1
得齐次方程的通解为
x = eαt (C1 cosβt + C2 sinβt).
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定义由常系数齐次线性方程的特征方程的根特征方程法. 确定其通解的方法称为特征方程法确定其通解的方法称为特征方程法.
方通 . 例1 求程 x′′ + 4x′ + 4x = 0的解

常微分课后答案第五章

常微分课后答案第五章第五章线性微分方程组§5.1 存在唯一性定理习题5.11．给定方程组x x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-='0110，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=21x x x ．（*）)a 试验证⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=t t t u sin cos )(，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=t t t v cos sin )(分别是方程组（*）的满足初始条件⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=01)0(u ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=10)0(v 的解；)b 试验证)()()(21t v c t u c t w +=是方程组（*）的满足初始条件⎪⎪⎭⎫⎝⎛=21)(c c t w 的解，其中21,c c 是任意常数．证明)a ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=01)0(u ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=10)0(v 显然．)(0110sin cos 0110cos sin )(t u t t t t t u ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--='，)(0110cos sin 0110sin cos )(t v t t t t t v ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-='，所以⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=t t t u sin cos )(，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=t t t v cos sin )(分别是方程组（*）的满足初始条件⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=01)0(u ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=10)0(v 的解．)b ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+=2121211001)0()0()0(c c c c v c u c w ，又)(0110)(0110)()()(2121t v c t u c t v c t u c t w ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-='+'=')(0110))()((011021t w t v c t u c ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=，所以)()()(21t v c t u c t w +=是方程组（*）的满足初始条件⎪⎪⎭⎫⎝⎛=21)(c c t w 的解，其中21,c c 是任意常数．2．将下面的初值问题化为与之等价的一阶方程组的初值问题：)a t e tx x x -=+'+''72，7)1(=x ，2)1(-='x ；)b tte x x =+)4(，1)0(=x ，1)0(-='x ，2)0(=''x ，0)0(='''x ；)c ⎩⎨⎧=-'+-''=+-'+''tx y y y e y x y x t cos 15132,675，1)0(=x ，0)0(='x ，0)0(=y ，1)0(='y ．（提示：令y w y w x w x w '=='==4321,,,）解 )a 设x x x x '==21,，则21x x x ='='，te tx xx x -+--=''='12272，即与该初值问题等价的一阶方程组的初值问题为⎪⎩⎪⎨⎧-==+--='='-．2)1(,7)1(,27,2121221x x e x tx x x x t)b 设x x x x x x x x'''=''='==4321,,,，则21x x x ='='，32x x x =''='，43x x x ='''='，tte xx +-='14，则得等价的一阶方程组的初值问题为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+-='='='='tte x x x x x x x x 14433221,,,，⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=0211)0()0()0()0()0(4321x x x x x ．)c 令y w y w x w x w'=='==4321,,,，有⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+-+='='+--='='tw w w w w w e w w w w w w t cos 13215,,567,431443431221 ，⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=1001)0()0()0()0()0(4321w w w w w ，为与原初值问题等价的一阶方程组的初值问题． 3．试用逐步逼近法求方程组xx ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-='0110，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=21x x x满足初始条件⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=10)0(x 的第三次近似解．解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=10)(0t ϕ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎰110011010)(01t ds t tϕ， ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎰2210211011010)(t t ds s t tϕ，第三次近似解为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎰2213610221*********)(t t t ds s s t t ϕ．§5.2 线性微分方程组的一般理论习题5.21．试验证⎥⎦⎤⎢⎣⎡=Φ12)(2t t t t是方程组x t tx ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-='22102，⎥⎦⎤⎢⎣⎡=21x x x在任何不包含原点的区间b t a ≤≤上的基解矩阵．证明设⎪⎪⎭⎫⎝⎛=t t t 2)(21ϕ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=1)(2t t ϕ，则由于)(22102221022)(12221t t t t t t t t t ϕϕ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛='，)(22101221001)(2222t t t t t t t ϕϕ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛='，所以)(,)(21t t ϕϕ都是方程组的解，因而[])()()(21t t t ϕϕ=Φ是所给方程组的解矩阵．又由于在任何不包含原点的区间],[b a 上，0)(det 2≠-=Φt t （],[b a t ∈），故)(t Φ是所给方程组的基解矩阵． 2．考虑方程组xt A x )(='，（5.15）其中)(t A 是区间b t a ≤≤上的连续n n ⨯矩阵，它的元素为)(t a ij，n j i ,,2,1, =．)a 如果)(,,)(,)(21t x t x t x n是（5.15）的任意n 个解，那么它们的Wronsky 行列式)](,,)(,)([21t x t x t x W n满足下面的一阶线性微分方程Wt a t a t a W nn )]()()([2211+++=' ．（提示：利用行列式的微分公式，求出W '的表达式）；)b 解上面的一阶线性微分方程，证明下面的公式：⎰=+++tt nn dss a s a s a e t W t W 02211)]()()([0)()( ，],[,0b a t t∈．证明 )a)()()()()()()()()()()()()()()()()()()(212222111211212222111211t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t x t W nn n nn n nn n n n n '''++'''='+=∑∑∑===)()()()()()()()()()()()(212222111121111t x t x t x t x t x t x t x t at x t at x t ann n n n nk kn knk k knk k k∑∑∑===+nk kn nknk k nknk k nkn n t x t at x t at x t at x t x t x t x t x t x 112112222111211)()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()(21222211121121222211121111t x t x t x t x t x t x t x t x t x t a t x t x t x t x t x t x t x t x t x t a nn n n n n nn nn n n n n++=)()]()([11t W t a t a nn ++= ，所以)(t W 是一阶线性微分方程Wt a t a t a W nn )]()()([2211+++=' 的解．)b 由)a 知，Wt a t a t aW nn )]()()([2211+++=' ，分离变量后两边积分求解得⎰=+++tt nn dss a s a s a cet W 02211)]()()([)( ，t t =时就得到)(0t W c =，所以⎰=+++tt nn dss a s a s a et W t W 02211)]()()([0)()( ，],[,0b a t t ∈．3．设)(t A 为区间],[b a 上的连续n n ⨯实矩阵，)(t Φ为方程x t A x )(='的基解矩阵，而)(t x ϕ=为其一解．试证：)a 对于方程yt Ay T)(-='的任一解)(t ψ必有=)()(t t Tϕψ常数；)b )(t ψ为方程yt Ay T)(-='的基解矩阵的充要条件是存在非奇异的常数矩阵C ，使Ct t T=Φψ)()(．证明)a 由于)(t ϕ是方程x t A x )(='的解，故有)()()(t t A t ϕϕ='，)(t ψ为方程yt A y T )(-='的解，故)()()(t t A t T ψψ-='．所以[][])()()()]([)()()()()()(t t t t t t t t t t TTTTTϕψϕψϕψϕψϕψ'+'='+'=')()()()()]()([t t A t t t t A TT T ϕψϕψ+-=)()()()()()(=+-=t t A t t t A t T T ϕψϕψ，所以=)()(t t Tϕψ常数．)b “⇒” )(t Φ是方程x t A x )(='的基解矩阵，因此)()()(t t A t Φ=Φ'，)(t ψ是方程yt Ay T)(-='的基解矩阵，故)()()(t t A t T ψ-=ψ'，且0)(det ≠Φt 和0)(det ≠t ψ．所以[][])()()()]([)()()()()()(t t t t t t t t t t TTTTTΦ'ψ+Φψ'=Φ'ψ+Φ'ψ='Φψ)()()()()]()([t t A t t t t A TTTΦψ+Φψ-=)()()()()()(=Φψ+Φψ-=t t A t t t A t T T ，故)()(t t TΦψ是常数矩阵，设Ct t T=Φψ)()(，则)(det )(det )(det )(det )]()(det[det ≠Φ⋅ψ=Φ⋅ψ=Φψ=t t t t t t C T T ，因此存在非奇异常数矩阵C ，使Ct t T=Φψ)()(．“⇐”若存在非奇异常数矩阵C ，使Ct t T=Φψ)()(，则有)(det )(det )(det )(det )]()(det[det 0t t t t t t C T T Φ⋅ψ=Φ⋅ψ=Φψ=≠，所以0)(det ≠ψt ，即)(t ψ是非奇异矩阵或说)(t ψ的各列是线性无关的．又[])()()()()]([)()()(])([)()(0t t A t t t t t t t t t T T T t T Φψ+Φψ'=Φ'ψ+Φ'ψ='Φψ=，并注意到)(det ≠Φt ，有)()()]([t A t t T T ψ-=ψ'，即)()()(t t A t T ψ-=ψ'．从而)(t ψ是方程yt Ay T)(-='的基解矩阵．4．设)(t Φ为方程Ax x ='（A 为n n ⨯常数矩阵）的标准基解矩阵（即E =Φ)0(），证明)()()(001t t t t -Φ=ΦΦ-，其中0t 为某一值．证明由于A 为n n ⨯常数矩阵，故A 在),(∞+-∞有定义、连续，从而它的解也在),(∞+-∞连续可导．由)(t Φ为方程Ax x ='的基解矩阵，故),(∞+-∞∈∀t ，有0)(det ≠Φt ，并且有)()(t A t Φ=Φ'，从而对某个0t ，有)(det 0≠-Φt t ，且)()()()(])([00000t t A t t t t t t t t -Φ=-Φ'='-⋅-Φ'='-Φ，即)(0t t -Φ亦为方程Ax x ='的基解矩阵．由推论2*，存在一个非奇异常数矩阵G ，使得在区间),(∞+-∞上，G t t t )()(0Φ=-Φ．又因为Gt t tE )()()0(000Φ=-Φ=Φ=，所以)(01t G -Φ=．因此)()()(001t t t t -Φ=ΦΦ-，其中0t 为某一值．5．设)(,)(t f t A 分别为在区间],[b a 上连续的n n ⨯矩阵和n 维列向量．证明方程组)()(t f x t A x +='存在且最多存在1+n 个线性无关解．证明设方程组xt A x )(='的基解矩阵为)](,,)(,)([)(21t t t t n ϕϕϕ =Φ，而)(~t ϕ是方程组)()(t f x t A x +='的一个特解，则其通解为)(~)(t c t x ϕ+Φ=，其中c 是任意的常数列向量．若)(t f 不恒为0，则)(~t ϕ必与)(,,)(,)(21t t t n ϕϕϕ 线性无关，从而)(~t ϕ，)(~)(1t t ϕϕ+，)(~)(2t t ϕϕ+，)(~)(,2t t ϕϕ+ 线性无关，即方程组)()(t f x t A x +='存在1+n 个线性无关解．又假若)(t x 是方程组)()(t f x t A x +='的任意一个解，则一定有确定的常数列向量c ，使得)(~)()(t c t t x ϕ+Φ=，将其加入)(~t ϕ，)(~)(1t t ϕϕ+，)(~)(2t t ϕϕ+，)(~)(,2t t ϕϕ+ 这一组向量就线性相关，故方程组)()(t f x t A x +='的任何2+n 个解必线性相关．从而方程组)()(t f x t A x +='存在且最多存在1+n 个线性无关解．6．试证非齐线性微分方程组的叠加原理：设)(,)(21t x t x 分别是方程组)()(1t f x t A x +='，)()(2t fx t A x +='的解，则)()(21t x t x +是方程组)()()(21t f t f x t A x ++='的解．证明因为)(,)(21t x t x 分别是方程组)()(1t f x t A x +='，)()(2t fx t A x +='的解，故)()()()(111t f t x t A t x +='，)()()()(222t f t x t A t x +='，所以有)]()()([)]()()([)()(])()([22112121t f t x t A t f t x t A t x t x t x t x +++='+'='+)()()]()()[(2121t f t f t x t x t A +++=，所以)()(21t x t x +是方程组)()()(21t f t f x t A x ++='的解． 7．考虑方程组)(t f Ax x +='，其中⎪⎪⎭⎫⎝⎛=2012A ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=21x x x ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=t t t f cos sin )(． )a 试验证⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φt t te te e t 2220)(是Ax x ='的基解矩阵；)b 试求)(t f Ax x +='的满足初始条件⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=11)0(ϕ的解)(t ϕ．证明)a 00)(det 4222≠==Φtt t te ete e t ，),(∞+-∞∈∀t 成立．而)(0201220)12(2)(222222t A e te e e e t e t t t tt t tΦ=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=Φ'，所以)(t Φ是Ax x ='的基解矩阵．)b ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=Φ--10101)(222241s e e se e es s s s s s，这样，由定理8，方程组满足初始条件⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=00)0(ψ的解就是⎰⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ΦΦ=--t s t t ttds s s s e e te e ds s f s t t 0222201cos sin 1010)()()()(ψ⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-t s t t tds s s s s e e te e 02222cos cos sin 0⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-++++--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=--52)cos 2(sin 51252)cos 2sin 14sin 5cos 10(251022222t t e t t t t t t e e te e t tt tt⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+--+=)cos 2sin 2(51)cos sin 75(252222t t e t t e te t tt ，对应的齐线性方程组满足初始条件⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=11)0(h ϕ的解就是⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ΦΦ=--t t t t th h e t e E e te e t t 2212221)1(110)0()0()()(ϕϕ，所以，所求方程组)(t f Ax x +='的满足初始条件⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=11)0(ϕ的解为⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-+--=+=)cos 2(sin 5153)cos sin 7(252)1527(251)()()(22t t e t t t e t t t t t h ψϕϕ．8．试求)(t f Ax x +='，其中⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2012A ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=21x x x ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=t t t f cos sin )( 满足初始条件⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=11)0(ϕ的解)(t ϕ．解由上题知⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=t t h e t e t 22)1()(ϕ，且这里⎰⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ΦΦ=--t s s t t ttds e s e e te e ds s f s t t 0222220101010)()()()(ψ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎰t t t t t t t t tte e t t t e te e ds s e te e 222222202222121010，所以，所求方程组)(t f Ax x +='的满足初始条件⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=11)0(ϕ的解为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=+=t t h e t e t t t t t 222)1()211()()()(ψϕϕ．9．试求下列方程的通解：)a t x x sec =+''，22ππ<<-t ； )b te x x 28=-'''； )c te x x x =+'-''96．解 )a 易知对应的齐线性方程0=+''x x 的基本解组为t t x cos )(1=，t t x sin )(2=，用公式（5.31）来求方程的一个解．这时1cos sin sin cos )](,)([21=-=tt t t t x t x W ，取0=t，有 ⎰⎰-=-=t t t sdss t s t ds s f s x s x W s x t x s x t x t 0212112sec )sin cos cos (sin )()](,)([)()()()()(0ϕtt t t sds t ds t tt cos ln cos sin tan cos sin 0+=-=⎰⎰所以方程的通解为tt t t t c t c x cos ln cos sin sin cos 21+++=． )b 由于特征方程083=-λ的根是21=λ，i313,2±-=λ，故对应的齐线性方程的基本解组为te t x 21)(=，te t x t 3cos )(2-=，tet x t3sin )(3-=．原方程的一个特解由公式（5.29）有（取0=t），∑⎰==313213210)()](,)(,)([)](,)(,)([)()(k tt k k dss f s x s x s x W s x s x s x W t x t ϕ，其中)](,)(,)([)(321t x t x t x W t W =)3sin 3cos 3(2)3sin 33(cos 24)3sin 3cos 3()3sin 33(cos 23sin 3cos 222t t e t t e e t t e t t e e te te e t t tt t tt t t +----+-=------312=，)](,)(,)([)(3211t x t x t x W t W =)3sin 3cos 3(2)3sin 33(cos 21)3sin 3cos 3()3sin 33(cos 03sin 3cos 0t t e t t e t t e t t e te te t t t t t t +----+-=------te 23-=，)](,)(,)([)(3212t x t x t x W t W =)3cos 33sin 3()3sin 3cos 3(214)3sin 3cos 3(023sin 0222t t e t t e e t t e e te e t t tt tt t -=+--=---，)](,)(,)([)(3213t x t x t x W t W =)3sin 33cos 3(1)3sin 33(cos 240)3sin 33(cos 203cos 222t t e t t e e t t e e te e t t tt tt t +-=--+-=---．所以⎰⎰-+⋅=--ts s tts stdse s s e t e ds e eet 020222312)3cos 33sin 3(3cos 3123)(ϕ⎰+-+-ts s tdse s s e t e 02312)3sin 33cos 3(3sin)3cos 33(sin 324124112122t t e e te t t t ++-=-，故通解tt tte t c t c e ec t x 23221121)3sin 3cos ()(+++=-．)c 特征方程0962=+-λλ，得到特征根32,1=λ，故对应的齐线性方程的基本解组为te t x 31)(=，tte t x 32)(=，tttt tee t ete e t W 63333)31(3)(=+=．取0=t，由（5.31），得特解⎰⎰⋅-=-=t sss t st tt dse e se e e te ds sf s W s x t x s x t x t 06333321120)()()()()()()(ϕtt t ts t e te e ds e s t e 33023412141)(++=-=⎰-，所以得到通解tt e et c ct x 41)()(321++=．10．给定方程)(78t f x x x =+'+''，其中)(t f 在+∞<≤t 0上连续，试利用常数变易公式，证明：)a 若)(t f 在+∞<≤t 0上有界，则上面方程的每一个解在+∞<≤t 0上有界；)b 若当∞→t 时，0)(→t f ，则上面方程的每一个解)(t ϕ，满足0)(→t ϕ（当∞→t 时）．证明对应的特征方程0782=++λλ有特征根7,1--，故对应的齐线性方程的基本解组te t x -=)(1，tet x 72)(-=，ttt t tee e e e t W 87767)(------=--=．由公式（5.31）得原方程的一个特解（0=t）为⎰⎰-------=-=t s st st tt dss f e e e e e ds s f s W s x t x s x t x t 08772112)(6)()()()()()()(~0ϕ⎰⎰---=t s t t s t dss f e e ds s f e e 0770)(61)(61，所以方程的任一解可写为⎰⎰-----++=t st t s t ttdss f e e ds s f e e ec e c t 0770721)(61)(61)(ϕ．)a 由于)(t f 在+∞<≤t 0上有界，故0>∃M ，),0[∞+∈∀t ，有M t f ≤)(．又由于10≤<-te ，107≤<-te，从而当),0[∞+∈t 时，⎰⎰⋅+⋅++≤--ts t ts t ds e M e ds e M e c c t 0770216161)(ϕ=)1(42)1(67721-+-++--tt t t e e M e e M c c)1(42)1(6721t t e M e M c c ---+-++=M c c 21421++<，即方程的每一个解在+∞<≤t 0上有界．)b 当∞→t 时，0)(→t f ，故由⎰⎰-----++=ts t ts t t t ds s f e e ds s f e e e c e c t 0770721)(61)(61)(ϕ知，若⎰t sdss f e)(有界，则)(0)(610∞→→⎰-t ds s f e e t st ，若⎰t sdss f e)(无界，由于)(s f 在),0[∞+连续，故⎰t s dss f e 0)(为无穷大量，因此0)(lim 616)(lim 6)(lim )(61lim 00====∞→∞→∞→-∞→⎰⎰t f et f e e ds s f e ds s f e e t t t t t tst t s t t ，即总有)(0)(610∞→→⎰-t ds s f e e t st ．同理)(0)(61077∞→→⎰-t ds s f e e t st ．从而对方程的每一个解)(t ϕ，有)(0)(∞→→t t ϕ．11．给定方程组x t A x )(='，这里)(t A 是区间],[b a 上的连续n n ⨯矩阵．设)(t Φ是它的一个基解矩阵，n 维向量函数),(x t F 在∞<≤≤x b t a ,上连续，],[0b a t∈．试证明初值问题：⎩⎨⎧=+='ηϕ)(,),()(0t x t F x t A x（*）的唯一解)(t ϕ是积分方程组⎰--ΦΦ+ΦΦ=tt dss x s F s t t t t x 0))(,()()()()()(101η （**）的连续解．反之，（**）的连续解也是初值问题（*）的解．证明)(t ϕ是初值问题（*）的解，故))(,()()()(t t F t t A t ϕϕϕ+='，这说明),(x t F 是t 的向量函数，于是由公式（5.27）得⎰--ΦΦ+ΦΦ=t t ds s s F s t t t t 0))(,()()()()()(101ϕηϕ，即)(t ϕ是积分方程组（**）的连续解．反之，设)(t ϕ是积分方程组（**）的连续解，则有⎰--ΦΦ+ΦΦ=t t ds s s F s t t t t 0))(,()()()()()(101ϕηϕ，两端对t 求导，就有))(,()()())(,()()()()()(11010t t F t t ds s s F s t t t t t t ϕϕηϕ---ΦΦ+ΦΦ'+ΦΦ'='⎰))(,(]))(,()()()[(0101t t F ds s s F s t t tt ϕϕη+Φ+ΦΦ'=⎰-- ))(,(]))(,()()()[()(0101t t F ds s s F s t t t A t t ϕϕη+Φ+ΦΦ=⎰-- ))(,(]))(,()()()()()[(0101t t F ds s s F s t t t t A t t ϕϕη+ΦΦ+ΦΦ=⎰--))(,()()(t t F t t A ϕϕ+=，即)(t ϕ也是初值问题（*）的解．§5.3 常系数线性微分方程组习题5.31．假设A 是n n ⨯矩阵，试证：)a 对任意的常数21,c c 都有A c A c A c A c 2121exp exp )exp(⋅=+；)b 对任意整数k ，都有kAA kexp )(exp =．（当k是负整数时，规定kk A A --=])[(exp )(exp 1．证明 )a 因为))(())((1222121A c A c A c c A c A c ==，所以矩阵Ac 1与A c 2可交换，故Ac A c A c A c 2121exp exp )exp(⋅=+．)b ①先证明N k ∈∀，有kAA kexp )(exp =，这只须对k 施以数学归纳法．当1=k 时，)1exp(exp )(exp 1A A A ⋅==成立，设当k 时，kAA k exp )(exp =，则当1+k 时，有Ak A kA A A A k k )1exp(exp exp exp )(exp )(exp 1+===+，故对一切自然数k ，kAA kexp )(exp =．②)0exp(0exp )(exp 0A E A ===．③若k 是负整数，则N k ∈-，注意到)exp()(exp 1A A -=-，并由以上证明应用于矩阵A -，就有kAA k A A A k k k exp )](exp[)][exp(])[(exp )(exp 1=--=-==---，由①②③，对一切整数k ，均有kAA kexp )(exp =．2．试证：如果)(t ϕ是Ax x ='满足初始条件ηϕ=)(0t 的解，那么ηϕ)]([exp )(0t t A t -=．证明由于 ηηϕ⋅⋅-='-='A t t A t t A t )]([exp ])([exp )(0，)(})]({[exp 0t A t t A A ϕη=-=，又ηηηϕ==⋅=E A t )]0[exp()(0，故ηϕ)]([exp )(0t t A t -=是方程组Axx ='满足初始条件ηϕ=)(0t 的解．由解的唯一性，命题得证．3．试计算下列矩阵的特征值及对应的特征向量．)a ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛3421； )b ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---244354332；)c ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-102111121；)d ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---6116100010．解 )a 特征方程0543421)det(2=--=----=-λλλλλA E ，特征值11-=λ，52=λ，对应于特征值11-=λ的特征向量⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=21u u u 必须满足方程组0)(1=+-u E A λ，得到0≠∀α，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=11αu 是对应于特征值11-=λ的特征向量．类似地可求得对应于特征值52=λ的特征向量为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=21βv ，其中0≠β的任意常数．)b 特征方程0)2)(1)(2(244354332)det(=++-=---+---=-λλλλλλλA E ，特征值21-=λ，12-=λ，23=λ．对应于特征值21-=λ的特征向量u 必须满足方程组0)(1=+-u E A λ，得到≠∀α，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=110αu 是对应于特征值21-=λ的特征向量．类似地，可以求出对应于特征值12-=λ以及23=λ的特征向量分别为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=011βv （0≠β的任意常数）和⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=111γw （0≠γ的任意常数）．)c 特征方程0)1)(3(12111121)det(2=+-=---+----=-λλλλλλA E ，特征值12,1-=λ，33=λ．对应于特征值12,1-=λ的特征向量⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=321u u u u 必须满足方程组0)(1=+-u E A λ，得0≠∀α，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=212αu 是对应于特征值12,1-=λ的特征向量．类似地，可以求出对应于特征值33=λ的特征向量为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=212βv （0≠β的任意常数）．)d 特征方程0)3)(2)(1(61161001)det(=+++=+--=-λλλλλλλA E ，特征值11-=λ，22-=λ，33-=λ．由0)(1=+-u E A λ，推出0≠∀α，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=111αu 是对应于特征值11-=λ的特征向量．同样可求得对应于特征值22-=λ和33-=λ的特征向量分别为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=421βv （0≠β的任意常数）和⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=931γw （0≠γ的任意常数）．4．试求方程组Ax x ='的一个基解矩阵，并计算Atexp ，其中A 为：)a ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--2112；)b ⎪⎪⎭⎫⎝⎛3421；)c ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---244354332；)d ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--115118301．解)a 特征方程032112)det(2=-=--+=-λλλλA E ，得32,1±=λ是特征值．对应的特征向量分别为⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=3211αu ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=3212βu ，0,0≠≠βα为任意常数．所以方程组Axx ='的一个基解矩阵为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=Φ--t ttt e e ee t 3333)32()32()(．133331323211)32()32()0()(exp ----⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=ΦΦ=t ttt e e ee t At⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+----+=----t ttttt tt e eee e ee e 33333333)32()32()32()32(63．)b 由第3题)a 立即得到方程组Ax x ='的一个基解矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=Φ--t tt te e e e t 552)(． 155121112)0()(exp ----⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ΦΦ=t tt t e e e e t At⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+--+=----t t t t t t tt e e e e e e e e 55552)(2231．)c 由第3题)b 立即得到方程组Ax x ='的一个基解矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ----t t t t tt t e e e e ee e t 222220)(．12222211011111100)0()(exp ------⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ΦΦ=t t tt tt t e e e e ee e t At⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----+---=--------t tt t t tt tt t t tt t t t te e e e e e e e e e e e e e e e e 2222222222222． )d 特征方程)34)(3(11511831)det(2=--+=+------=-λλλλλλλA E ，特征值为31-=λ，723,2±=λ．对应的特征向量分别为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=4731αu ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=7174532βu ，⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+-=7174533γu ，γβα,,均为不等于零的任意常数．故方程组Ax x ='的一个基解矩阵为⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-++---=Φ-+--+--+-t tt tt tttt e e e ee e e e e t )72()72(3)72()72(3)72()72(3)17()17(4)574()574(7333)(．由)0()(exp 1-ΦΦ=t At 立即可得[])()()(exp 321t t t At ψψψ=，其中列向量函数⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+++--+++--+++=-+--+--+-t t t t t t t t t e e e ee e e e e t )72()72(3)72()72(3)72()72(31)7514(2)7514(256)71349()49713(98)737(3)737(342841)(ψ， ⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛++-+-++-+-+-+-+=-+--+--+-t t t tt t t t t e e e e e e e e e t )72()72(3)72()72(3)72()72(31)714(2)714(256)753175()753175(98)757(3)757(3422521)(ψ，⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-++++--+++-+-=-+--+--+-t t t tt t t t t e e e e e e e e e t )72()72(3)72()72(3)72()72(31)7137()7137(112)98761()98761(196)714(3)714(3841261)(ψ．（该题计算量太大，作为该法的习题不是太好！）5．试求方程组Ax x ='的一个基解矩阵，并求满足初始条件ηϕ=)0(的解)(t ϕ：)a ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=3421A ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=33η；)b ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=115118301A ，⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=720η；)c ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=102111121A ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=001η．解 )a 由上题)b 知⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--1112231exp 55t tt te e e e At ，所以所求解为⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+==--t t t t e e e e At t 5542)(exp )(ηϕ．)b 由上题)d 知)0()(exp 1-ΦΦ=t At ，其中⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-++---=Φ-+--+--+-t tt tt tttte e e ee e e e e t )72()72(3)72()72(3)72()72(3)17()17(4)574()574(7333)(．所以所求解为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++---+--⋅Φ==720)714(2775)773(3)714(2775)773(33214422521)()(exp )(t At t ηϕ ⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-++--+--+-++-+=-+--+--+-t t t tt t t t t e e e e e e ee e )72()72(3)72()72(3)72()72(3)7317(3)78977(728)7160289(3)7374511(1274)7435(9)9172(35461261．)c 由第3题)c 知，矩阵A 的特征值为12,1-=λ，33=λ．对应于特征值33=λ的特征向量⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=212αv （0≠α的任意常数）．又由648324648)(32121=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-u u u u A E λ，得到⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-=)24(3331γβγβu （γβ,是任意常数），由⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=)24(3331212001γβγβαη解出41,21,41-===γβα．依公式（5.52），得满足初始条件ηϕ=)0(的解为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+++=--212120212124121241)]([)(33t tt t tt t e e u E A t E e Ev e t t t t t ϕ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+=---)(2)(241333t t tt t t e e e e e e6．试求方程组)(t f Ax x +='的解)(t ϕ：)a ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=11)0(ϕ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=3421A ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛=1)(t e t f ；)b ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=000)0(ϕ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=6116100010A ，⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-t e t f 00)(；)c ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=21)0(ηηϕ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=1234A ，⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=t t t f cos 2sin )(．解 )a 由第4题)b 知，⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--1112231exp 55t tt te e e e At ，由公式（5.61）得⎰-+=t ds s f A s t At t 0)(])exp[()(exp )(ηϕ⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--------t s s t s t s t s t t t t tds e e e e e e e e e 0)(5)()(5)(5511112231111112231⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++-++-=--53109235420934355t t t t tt e e e e e e ．)b 由第3题)d 知A 的特征值11-=λ，22-=λ，33-=λ，对应的特征向量分别为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=111αu ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=421βv ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=931γw ，其中γβα,,均是不为零的任意常数．Ax x ='的一个基解矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---==Φ---------t tt tt tt t ttt te e e e e ee e e w e v e u et 3232329432][)(321λλλ．⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=Φ--13228615621941321111)0(11，而)0()(exp 1-ΦΦ=t At ．由公式（5.61）得⎰-+=t ds s f A s t At t 0)(])exp[()(exp )(ηϕ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=---------000132286156943221323232t tt tt t t t te e ee e e e e e⎰⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---+-------------------t s s t s t s t s t s t s t s t s t s t dse e e e e e e e e e 0)(3)(2)()(3)(2)()(3)(2)(00132286156943221⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-+---+-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+--+-+-=------------------⎰t t t tt t t t t t t s t s t t s t s t t s t s t e e e t e e e t e e e t ds e e e e e e e e e 3232320322322322916)72(38)25(4)32(419834221．)c A的特征方程0)2)(1(1234)det(=--=+--=-λλλλλA E ，求解得特征值11=λ，22=λ，对应的特征向量分别是⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=11αu ，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=23βv ，其中βα,是不为零的任意常数．所以方程组Axx ='的一个基解矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛==Φt tt t tte e e e v eu e t 2223][)(21λλ，从而，⎪⎪⎭⎫⎝⎛--Φ=ΦΦ=-1132)()0()(exp 1t t At ．由公式（5.61）得⎰-+=t ds s f A s t At t 0)(])exp[()(exp )(ηϕ⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-----t s t s t s t s t t t t tds s s e ee e e e e e 0)(2)()(2)(2122cos 2sin 113223113223ηη⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+-+-+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+--+-=t t e e t t e e e e e e t t t t t t t t cos 2sin 224cos sin 234)(2)23()(3)23(222211222112ηηηηηηηη⎪⎪⎭⎫⎝⎛+--+--+--+--=t t e e t t e e t t t t cos 2sin 2)(2)423(cos sin 2)(3)423(2211222112ηηηηηηηη．7．假设m 不是矩阵A 的特征值，试证非齐线性方程组mtce Ax x +='有一解形如mte t ρϕ=)(，其中ρ,c 是常数向量．证明设方程组有形如mte t ρϕ=)(的解，代入方程得m tm t m t ce e A e m +=ρρ，由此得cA m +=ρρ，即cA mE =-ρ)(．因为m 不是矩阵A 的特征值，故0)det(≠-A mE ，即矩阵A mE -可逆，得到c A mE 1)(--=ρ唯一确定．所以方程组有一解m tm t e ce A mE t ρϕ=-=-1)()(8．给定方程组⎩⎨⎧=+'+-'=-'++'-''．02,023221122111x x x x x x x x x)a 试证上面方程组等价于方程组Au u ='，其中⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛'=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=211321x x x u u u u ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=112244010A ；)b 试求)a 中的方程组的基解矩阵；)c 试求原方程组满足初始条件0)0(1=x ，1)0(1='x ，)0(2=x 的解．解 )a 设11x u=，12x u'=，23x u=，则原方程组化为⎪⎩⎪⎨⎧--='=''-+-=''='='=',2,23,32123331212211u u u x u u u u u x u u x u或⎪⎩⎪⎨⎧--='++-='='32133212212,244,uu u u u u u u u u ，即u u ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---='112244010或Au u ='．反之，设11u x =，21u x ='，32u x=，则方程组Au u ='化为⎩⎨⎧-'-='+'+-=''．211221112,244x x x x x x x x即⎩⎨⎧=+'+-'=-'++'-''．02,023221122111x x x x x x x x x)b 由0)2)(1(11224401)det(=--=+----=-λλλλλλλA E ，得矩阵A的特征值01=λ，12=λ，23=λ．对应的特征向量分别为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=201αu ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=122βv ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=021γw ，其中γβα,,均为不等于零的任意常数．由此得Au u ='的一个基解矩阵⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡==Φ0222021][)(22321t t tt t t t t e e e e e w e v e u e t λλλ．)c 求与之等价的方程组Au u ='，满足初始条件η=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=010)0(u 的解ηη)0()()(exp )(1-ΦΦ==t At t u⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-+-=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=-t tt t t t t t t t e e e e e e e e e e 226434121010012220121022202122122，所以，原方程组满足初始条件0)0(1=x ，1)0(1='x ，0)0(2=x 的解为⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-=t t t e e e t 2234121)(2ϕ．9．试用Laplace 变换法解第5题和第6题．解 5．)a 方程组两边取Laplace 变换，有)()(s AX s sX =-η，即η=-)()(s X A sE ，由具体数值代入得方程组⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----33)()(342121s X s X s s ，根据Gramer 法则得 5211)(1-++=s s s X ，5411)(2-++-=s s s X，所以tte et -+=512)(ϕ，tte et --=524)(ϕ，故初值问题5．)a 的解为⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=--t t t t e e e e t t t 552142)()()(ϕϕϕ．5．)b 对方程组两边施行Laplace 变换，并化简有η=-)()(s X A sE ，用具体数值代入得方程组⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+------720)()()(115118301321s X s X s X s s s ，根据Gramer 法则得)72(427291)72(4272913313)34)(3(1521)(21--+-+---+=--++-=s s s s s s s s X ，)72(1267376511)72(12673765113991)34)(3(14372)(222--+++--++-=--+-+-=s s s s s s s s s X ，)72(12678977)72(126789773952)34)(3(5127)(223----+-+-+-=--+-+-=s s s s s s s s s X ，所以ttt e e e t )72()72(31427291427291313)(-+-+---=ϕ，ttt ee e t )72()72(3212673765111267376511991)(-+-++-+-=ϕ，ttt ee e t )72()72(331267897712678977952)(-+---+--=ϕ，故初值问题5．)b 的解为⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+--++-+-+---=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-+--+--+-t t t t t t t t t e e e e e e ee e t t t t )72()72(3)72()72(3)72()72(3321126789771267897795212673765111267376511991427291427291313)()()()(ϕϕϕϕ．5．)c 对方程组两边施行Laplace 变换，并化简有η=-)()(s X A sE ，用具体数值代入得方程组⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---+----001)()()(102111121321s X s X s X s s s ，根据Gramer 法则得31211121)(1-++=s s s X ，31411141)(2--+=s s s X，31211121)(1-++-=s s s X ，所以)(21)(31t te e t -+=ϕ，)(41)(32t te e t ---=ϕ，)(21)(33t te e t --=ϕ，故初值问题5．)a 的解为。

常微分方程第四、第五章部分习题参考答案

常微分方程习题4.2 2、解下列方程（1）045)4(=+''-x x x解：特征方程1122045432124-==-===+-λλλλλλ，，，有根故通解为x=t t t te c e c e c e c --+++432221(2)03332=-'+''-'''x a x a x a x解：特征方程0333223=-+-a a a λλλ有三重根a =λ故通解为x=at at at e t c te c e c 2321++ （3）04)5(=''-x x解：特征方程0435=-λλ有三重根0=λ，=4λ2，=5λ-2故通解为54232221c t c t c e c e c x t t ++++=-(4)0=+'+''x x x解：特征方程012=++λλ有复数根=1λ,231i +-=2λ,231i-- 故通解为t e c t ec xt t 23sin 23cos 212211--+=(5) 12+=-''t s a s解：特征方程022=-a λ有根=1λa,=2λ-a当0≠a 时，齐线性方程的通解为s=atat e c e c -+21Bt A s +=~代入原方程解得21aB A -== 故通解为s=atat e c e c -+21-)1(12-t a当a=0时,)(~212γγ+=t t s 代入原方程解得21,6121==γγ故通解为s=t c c 21+-)3(612+t t (6) 32254+=-'+''-'''t x x x x解：特征方程025423=-+-λλλ有根=1λ2,两重根=λ 1 齐线性方程的通解为x=t t t te c e c e c 3221++又因为=λ0不是特征根，故可以取特解形如Bt A x +=~代入原方程解得A=-4，B=-1 故通解为x=t t t te c e c e c 3221++-4-t (7) 322)4(-=+''-t x x x解：特征方程121201224-===+-λλλλ重根，重根有故齐线性方程的通解为x=t t t t te c e c te c e c --+++4321 取特解形如c Bt At x ++=2~代入原方程解得A=1，B=0,C=1 故通解为x=t t t t te c e c te c e c --+++4321+12+t (8)t x x cos =-'''解：特征方程013=-λ有复数根=1λ,231i +-=2λ,231i--13=λ 故齐线性方程的通解为t t t e c t e c t ec x 321221123sin 23cos ++=--取特解形如t B t A x sin cos ~+=代入原方程解得A=21,21-=B 故通解为t t t e c t e c t ec x 321221123sin 23cos ++=--)sin (cos 21t t +-(9) t x x x 2sin 82=-'+''解：特征方程022=-+λλ有根=1λ-2,=2λ 1 故齐线性方程的通解为x=tte c e c 221-+因为+-2i 不是特征根取特解形如t B t A x 2sin 2cos ~+=代入原方程解得A=56,52-=-B 故通解为x=tte c e c 221-+t t 2sin 562cos 52--（10）t e x x =-'''解：特征方程013=-λ有复数根=1λ,231i +-=2λ,231i--13=λ 故齐线性方程的通解为t t t e c t e c t ec x 321221123sin 23cos ++=-- =λ1是特征方程的根，故t Ate x =~代入原方程解得A=31 故通解为t t t e c t e c t ec x 321221123sin 23cos ++=--+t te 31（11）t e s a s a s =+'+''22解：特征方程0222=++a a λλ有2重根=λ-a 当a=-1时，齐线性方程的通解为s=t t te c e c 21+,=λ1是特征方程的2重根，故t e At x 2~=代入原方程解得A=21通解为s=22121t te c e c t t ++, 当a ≠-1时，齐线性方程的通解为s=at at te c e c --+21,=λ1不是特征方程的根，故t Ae x =~代入原方程解得A=2)1(1+a故通解为s=at at te c e c --+21+te a 2)1(1+ （12）t e x x x 256=+'+''解：特征方程0562=++λλ有根=1λ-1,=2λ-5 故齐线性方程的通解为x=tte c ec 521--+=λ2不是特征方程的根，故t Ae x 2~=代入原方程解得A=211故通解为x=t te c ec 521--++te 2211 （13）t e x x x t cos 32-=+'-''解：特征方程0322=+-λλ有根=1λ-1+2i,=2λ-1-2i 故齐线性方程的通解为t e c t e c x t t 2sin 2cos 21+=i ±-1 不是特征方程的根, 取特解行如t e t B t A x -+=)sin cos (~代入原方程解得A=414,415-=B 故通解为t e c t e c x t t 2sin 2cos 21+=+t e t t --)sin 414cos 415( (14) t t x x 2cos sin -=+''解：特征方程012=+λ有根=1λi,=2λ- i 故齐线性方程的通解为t c t c x sin cos 21+= 对于t x x sin =+'',=1λi,是方程的解，设)sin cos (~t B t A t x +=代入原方程解得A=21-B=0 故t t x cos 21~-=对于t x x 2cos -=+'' ，设t B t A x 2sin 2cos ~+=代入原方程解得A=31 B=0 故t x 2cos 31~= 故通解为t c t c x sin cos 21+=t t cos 21-t 2cos 31+ 15）1442++=+'-''ttee x x x解：0442=+-λλ，22,1=λ，齐次方程的通解为)()(212t C C e t x t +=。

常微分方程第5章答案

常微分方程第5章答案本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March习题1.给定方程组x = x x= （*）a)试验证u(t)= ,v(t)= 分别是方程组（*）的满足初始条件u(0)= , v(0)= 的解.b)试验证w(t)＝c u(t)+c v(t)是方程组（*）的满足初始条件w(0)= 的解，其中是任意常数.解：a) u(0)= =u (t)= = u(t)又 v(0)= =v (t)= = = v(t)因此 u(t),v(t)分别是给定初值问题的解.b) w(0)= u(0)+ u(0)= + =w (t)= u (t)+ v (t)= +=== w(t)因此 w(t)是给定方程初值问题的解.2. 将下面的初值问题化为与之等价的一阶方程组的初值问题：a) x +2x +7tx=e ,x(1)=7, x (1)=-2b) x +x=te ,x(0)=1, x (0)=-1,x (0)=2,x (0)=0c)x(0)=1, x (0)=0,y(0)=0,y (0)=1解：a）令 x ＝x, x = x , 得即又 x ＝x(1)=7 x (1)= x (1)=-2于是把原初值问题化成了与之等价的一阶方程的初值问题：x ＝ x(1)＝其中 x＝ .b) 令＝x ＝＝＝则得：且 (0)=x(0)=1, = (0)=-1, (0)= (0)=2,(0)= (0)=0于是把原初值问题化成了与之等价的一阶方程的初值问题：= x(0)= , 其中 x= .c) 令w ＝x， w ＝，w ＝y，w ＝y ，则原初值问题可化为：且即 ww(0)= 其中 w＝3. 试用逐步逼近法求方程组＝ x x＝满足初始条件x(0)=的第三次近似解.解：0241201 杨素玲习题02412—02 02412—031.试验证 =是方程组x = x,x= ，在任何不包含原点的区间a 上的基解矩阵。

第五章线性微分方程组I(修正)

t0
t
命题5
• 设 t 是积分方程（5.8）的定义于 a t b 上的一个连续解，则： t t , a t b 证明：由 t A s t f s ds
t0 t
类似命题3，得到：
MLk k 1 k t t b t0 , k 1!
得证！
推论：
• 第四章的定理1 • 如果 a1 t , a2 t ,, an t , f t 在区间 • a t b 是连续函数，则对区间 a t b 上的任意t0，及任意的 1 ,2 ,,n ，方程
• 类似的可以定义可积的，如果每个元素可积
定义1：方程的解
• 设 A t 是区间 a t b 上的连续 n n，矩阵，f t 是同一区间上的连续的n维向量。方程组：
x ' t At x t f t
5.4
• 在区间 t 的解就是向量 u t ，他的导数满足：
进一步
d I1 R 1 1 I1 E 1 I L 1 2 I L 0 dt 2 I t f
例2 验证
et u t t e
j 1
k
• 因为 A t 和 f t 在闭区间上连续，所以 A t 和 f t 均在 a t b 有界，设L，和K是大于零的常数，使得：
A t L, f t K ,
at b
由（5.9）有
• 并取：M L K
1 t 0 t A s 0 s f s ds
t t0

第五章常微分方程习题

第五章常微分方程习题第五章常微分方程§1 常微分方程的基本概念与分离变量法1.xy dxdy 2＝,并求满足初始条件：0,1x y ==的特解.2．2(1)0y dx x dy ++=，并求满足初始条件：0,1x y ==的特解. 3．(1)(1)0x ydx y xdy ++-= 4．(ln ln )0x x y dy ydx --= 5．x ydy edx-=答案1．通解2x y ce =；特解2x y e = 2．通解1ln 1y c x=++；另有解0y =；特解11ln 1y x=++3．ln ;0x y xy c y -+== 4．1lny cyx +=5．y x e e c =+§2 一阶线性微分方程1．（1）（）是微分方程。

（A ）（B ）（C ）（D ）（2）（）不是微分方程。

（A ）（B ）（C ）（D ）2.求微分方程的通解；（2）。

（1）3.求微分方程的特解（1）；（2）4．解下列微分方程；（2）；（1）答案1．(1)B；(2)C 2.(1)y=cx;(2)y4-x4=C。

3.(1)2/x3;(2)。

4．(1)； (2)y=Csinx；§3 二阶常系数线性微分方程1.求下列微分方程的通解；（2）；（1）（3）（5）2.求微分方程的特解3.求下列微分方程的通解（1）；（2）；（3）；（4）。

4．求方程2100y y y '''++=满足初始条件0 2x y==和01x y ='=的特解5．求方程221y y y x '''+-=+的一个特解6．求方程22x y y y xe '''+-=的一个特解7．求方程32(41)x y y y x e '''-+=-的一个特解答案1.(1) ； (2)；(3)； (4) ；(5) ； (6) 。

2.3.(1)；(2) ；(3) ；(4) 。

常微分方程考研讲义第五章线性微分方程组共32页

第五章线性微分方程组[教学目标]1.理解线性微分方程组解的存在唯一性定理，掌握一阶齐（非齐）线性微分方程组解的性质与结构，2.理解n 阶线性微分方程与一阶线性微分方程组的关系。

3.掌握非齐次线性微分方程组的常数变易法，4.理解常系数齐线性微分方程组基解矩阵的概念，掌握求基解矩阵的方法。

5.掌握常系数线性微分方程组的Laplce变换法。

[教学中难点]求解常系数非齐次线性微分方程组[教学方法] 讲授，实践。

[教学时间] 16学时[教学内容] n 阶线性微分方程与一阶线性微分方程组的关系，一阶线性微分方程组解的存在唯一性定理；齐（非齐）线性微分方程组解的性质与结构，求解非齐次线性微分方程组的常数变易法；常系数齐线性微分方程组的基解矩阵及求基解矩阵的方法；求常系数线性微分方程组的Laplce变换法。

[考核目标]1.线性微分方程组解的性质与结构。

2.能够求解常系数线性微分方程组。

§5.1 存在唯一性定理5.1.1记号和定义考察形如1111122112211222221122()()()()()()()()()()()()n n n n nn n nn n n x a t x a t x a t x f t x a t x a t x a t x f t x a t x a t x a t x f t '=++++⎧⎪'=++++⎪⎨⎪⎪'=++++⎩ （5.1）的一阶线性微分方程组，其中已知函数()(,1,2,,)ij a t i j n =和()(1,2,,)i f t i n =在区间a t b ≤≤上上是连续的。

方程组（5.1）关于12,,,n x x x 及12,,,nx x x '''是线性的. 引进下面的记号：111212122212()()()()()()()()()()n n n n nn a t a t a t a t a t a t A t a t a t a t ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦（5.2）这里()A t 是n n ⨯矩阵，它的元素是2n 个函数()(,1,2,,)ij a t i j n =.12()()()()n f t f t f t f t ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦12n x x x x ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 12n x x x x '⎡⎤⎢⎥'⎢⎥'=⎢⎥⎢⎥'⎣⎦ （5.3）这里()f t ，x ，x '是1n ⨯矩阵或n 维列向量。

常微分第五章

§5.1 存在唯一性定理
第五章线性微分方程组
2. 一阶线性微分方程组
一阶线性微分方程组形如
x1 a11 (t ) x1 a12 (t ) x2 a1n (t ) xn f1 (t ), x a (t ) x a (t ) x a (t ) x f (t ), 2 21 1 22 2 2n n 2 (5.1) xn an1 (t ) x1 an 2 (t ) x2 ann (t ) xn f n (t ),
其中a1(t), a2(t), , an(t), f (t)是区间[a, b]上的已知
连续函数, t0[a, b], 1, 2, , n是已知常数.
若令
§5.1 存在唯一性定理
第五章线性微分方程组
x1 x 1 0 x x 0 , f (t ) , 2 x x (t ) 2 ( n 1) f (t ) xn x n
由n个含有n个未知函数的微分方程组成.
§5.1 存在唯一性定理
第五章线性微分方程组
令
a11 (t ) a12 (t ) a1n (t ) a (t ) a (t ) a (t ) 22 2n A(t ) 21 an1 (t ) an 2 (t ) ann (t )
§5.1 存在唯一性定理
第五章线性微分方程组
如果bijபைடு நூலகம்t)(i, j1, 2, , n)都在区间[a, b]上
可微, 则称矩阵B(t)在区间[a, b]上可微;

Chapter5线性微分方程组

Chapter5线性微分方程组第五章线性微分方程组5.1 存在唯一性定理5.1.1 记号和定义考察形如(5.1)其中已知函数a ij(t)(i,j,=1,2,…,n)和f i(t)(i=1,2,…,n)在区间atb上是连续的,方程组关于x1,x2,…,x n及x1,x2,…,x n是线性的.引进记号则原方程(5.1)可写成形式x=A(t)x+f(t).概念一个矩阵(或向量)在区间atb上称为连续的,如果它的每一个元都是区间atb上的连续函数.一个nn矩阵B(t)或一个n维列向量u(t)在区间atb上称为可微的,如果它的每一个元都在区间atb上可微,且性质(1)[A(t)+B(t)]=A(t)+B(t);(2)[u(t)+v(t)]=u(t)+v(t);(3)[A(t)B(t)]=A(t)B(t)+A(t)B(t);(4)[A(t)u(t)]=A(t)u(t)+A(t)u(t).类似地, 矩阵B(t)或一个n维列向量u(t)在区间atb上称为可积的,如果它的每一个元都在区间atb上可积,且定义1设A(t)是区间atb上的连续nn矩阵,f(t)是同一区间上的连续n维向量.方程组x=A(t)x+f(t)(5.4) 在某区间t ([, ][a, b])的解就是向量u(t), 它的导数u(t) 在区间atb上连续且满足u(t)=A(t)u(t)+f(t), t.定义2初值问题x=A(t)x+f(t) x(t0)= (5.5) 的解就是方程组(5.4)在包含t0的区间t 上的解, 使得u(t0)=．例１试列出下图中经过L1及L2电路的电流I1及I2应满足的微分方程．例２验证向量是初值问题在区间-< t <+ 上的解.以下方法可将n阶线性微分方程的初值问题化为形如(5.5)的线性微分方程组的初值问题.考虑n阶线性微分方程的初值问题其中a i(t),i=1,2,…n,及f(t)都是a t b上的已知连续函数, t0[a, b], 1,…, n是已知常数.可通过以下变换x1=x, x2=x, x3=x, …, x n=x(n1)将上述n阶线性微分方程的初值问题化为以下线性微分方程组的初值问题:5.1.2 存在唯一性定理方程x=A(t)x+f(t) x(t0)=的解的存在唯一性定理.定理1如果A(t) 是nn矩阵, f(t) 是n维列向量,它们都在区间a t b上连续,则对于区间a t b上的任何数t0及任一n维常数列向量,方程组x=A(t)x+f(t) 存在唯一解(t) ,定义于区间a t b上,且满足初值条件(t0)= .5.2 线性微分方程组的一般理论讨论线性微分方程组x=A(t)x+f(t)(5.14)5.2.1 齐次线性微分方程组设矩阵A(t) 在区间a≤t≤b上连续设u(t) 和v(t) 是(5.15)的齐次型方程的任意两个解, , 是两个任意常数,根据向量函数的微分法则,有u(t)+v(t) 也是其解.定理2(叠加原理)如果u(t) 和v(t) 是齐次型方程的解,则它们的线性组合u(t)+v(t) 也是该方程的解.线性相关称定义在区间a≤t≤b上的向量函数x1(t), x2(t), …, x m(t) 是线性相关的,如果存在不全为零的常数c1, c2, …, c m, 使得等式c1x1(t)+ c2x2(t)+…+ c m x m(t) =0 成立;否则称为线性无关的.朗斯基行列式由n个向量函数x1(t), x2(t), …, x n(t) 构成的行列式称为朗斯基行列式.定理3如果向量函数x1(t), x2(t), …, x n(t) 在区间a≤t≤b上线性相关,则它们的朗斯基行列式W(t)=0.(证)定理4如果齐次型方程的解x1(t), x2(t), …, x n(t) 线性无关,则它们的朗斯基行列式W(t)0.(证)定理5齐次线性微分方程组一定存在n个线性无关的解x1(t), x2(t), …, x n(t) .(证)定理6如果x1(t), x2(t), …, x n(t) 是齐次型方程的n个线性无关的解,则该方程的任一解x(t) 均可表为这n个线性无关解的线性组合,即: x(t)=c1x1(t)+ c2x2(t)+ …+ c n x n(t) .(证)推论1齐次型方程的线性无关解的最大个数等于n.推论2如果已知齐次型方程的k个线性无关解,则该方程可以降低为含nk 个未知函数的线性微分方程组.如果已知n1 个线性无关解,则可得到齐次型方程的通解.基本解组n个线性无关的解x1(t), x2(t), …, x n(t).推论3如果x1(t), x2(t), …, x n(t) 是n阶微分方程x(n)+a1(t)x(n1) +…+ a n(t)x=0 (5.21)的n个线性无关解,其中a1(t), a2(t), …, a n(t) 是区间a≤t≤b 上的连续函数,则(5.21)的任一解x(t) 可表为这n个线性无关解的一个线性组合: x(t)=c1x1(t)+ c2x2(t)+ …+ c n x n(t) .基解矩阵解矩阵nn矩阵的每一列都是齐次线性微分方程组x=A(t)x 的解.基解矩阵解矩阵的列线性无关.定理1*齐次线性微分方程组x=A(t)x一定存在一个基解矩阵(t).如果(t)是方程的任意一个解,则有(t)=(t)c.定理2*齐次线性微分方程组x=A(t)x的一个解矩阵(t) 是基解矩阵的充要条件是|(t)|=0 , a≤t≤b; 且如果对某一t0有|(t0)|0,则|(t)|=0 , a≤t≤b.推论1*如果(t) 是齐次线性微分方程组x=A(t)x的基解矩阵, C是非奇异nn 常数矩阵,则 (t)C也是方程的基解矩阵.推论2* 如果 (t) , (t) 都是方程组x=A(t)x的基解矩阵,则存在非奇异nn 常数矩阵C ,使得 (t)=(t) C .5.2.2 非齐次线性微分方程组讨论非齐次线性微分方程组x=A(t)x+f(t)(5.14)的解的结构.矩阵A(t) 在区间a≤t≤b上连续, f(t) 是区间a≤t≤b上的已知n维连续列向量.性质1如果(t) 是(5.14)的解, (t) 是(5.14)对应的齐次型的解,则(t)+(t) 是(4.14)的解.性质2如果 (t) 和 (t) 是(5.14)的两个解,则 (t)(t) 是对应齐次型方程的解.定理7设 (t) 是对应齐次型方程的基解矩阵, (t) 是(5.14)的某一解,则(5.14)的任一解 (t) 都可表为 (t)= (t)c+(t) ,其中c是确定的常数列向量.(证)定理8如果是对应齐次型方程的基解矩阵,则向量函数是(5.14)的解,且满足初值条件 (t0)=0 .定理8 满足初始条件 (t0)= 的解 (t) 为:例2试求以下初值问题的解.推论3如果a1(t), a2(t), …, a n(t) , f(t) 是区间a≤t≤b上的连续函数, x1(t), x2(t), …, x n(t) 是区间a≤t≤b上齐次线性微分方程x(n)+a1(t)x(n1)+…+ a n(t)x=0 的基本解组,则非齐次线性微分方程x(n)+a1(t)x(n1)+…+a n(t)x= f(t) 的满足初值条件(t0)=0, (t0)=0, …, (n1)(t0)=0 的解由以下公式给出其中W[x1(s), w2(s), …, w n(s)] 是x1(s), w2(s), …, w n(s) 的朗斯基行列式, W k[x1(s), w2(s), …, w n(s)] 是在W[x1(s), w2(s), …, w n(s)] 中的第k列代以(0, 0, …, 0, 1)T后得到的行列式,且(5.28)的任一解u(t) 都具有形式u(t)=c1x1(t)+c2x2(t)+…+c n x n(t)+(t) ,其中c1, c2, …, c n是适当选取的常数.例3试求方程x+x=tan t的一个解.5.3 常系数线性微分方程组讨论常系数线性微分方程组x=Ax (5.33)其中A为nn常数矩阵.5.3.1 矩阵指数exp A的定义和性质设A是一个nn常数矩阵,定义矩阵的指数exp A为以下矩阵级数的和:矩阵指数的性质性质1如果矩阵A, B是可交换的,即AB=BA , 则 exp(A+B)=exp A exp B . (证)性质2对于任何矩阵A, (exp A)1存在,且 (exp A)1=exp(A) .(证) 性质3如果T是非奇异矩阵,则 exp(T1A T)= T1 (exp A) T .(证) 定理9矩阵 (t)=exp A t是(5.33)的基解矩阵,且 (0)=E.(证)例1如果A是以下形式的对角矩阵,试找出x=Ax 的基解矩阵.例2试求以下方程的基解矩阵.5.3.2 基解矩阵的计算公式类似于第四章的方法,寻求方程x=Ax的形如 (t)=e t c, c0 的解.代入(5.33)可得 e t c=A e t c .即c=Ac或 (E A)c =0上述方程有非零解的充要条件是 det(E A)=0.定义设A是一个nn常数矩阵,使得关于u的线性代数方程组(E A)u=0具有非零解的常数称为A的一个特征值.例3试求以下矩阵的特征值和对应的特征向量.例4试求以下矩阵的特征值和对应的特征向量.定理10如果矩阵A具有n个线性无关的特征向量v1,v2,…, v n ,它们对应的特征值分别为1, 2, …, n ,则矩阵是常系数线性微分方程组x=Ax的一个基解矩阵.(证)例5试求方程组x=Ax的一个基解矩阵,其中.例6试求例5的实基解矩阵(或计算 exp A t).讨论当A是任意的nn 矩阵时,基解矩阵的计算方法.有关线性代数的知识.设系数矩阵A有特征值1, 2,…, k, 重数分别为n1, n2, …, n k,则齐次线性微分方程组的满足初始条件解可表示为依次令 =e j, 可分别求出n个线性无关解j(t) ,从而可得基解矩阵:特别情形,如果矩阵A只有一个特征值,则例7设A是例4的矩阵,试解初值问题x=A x, (0)=,并求exp A t.例8设A是以下矩阵,试求exp A t.例9设方程组为系数矩阵为试求满足初值条件(0)=的解 (t) , 并求exp A t.定理11给定常系数线性微分方程组x=A x,则(1) 如果A的特征值的实部都是负的,则方程的任一解当t时都趋于零;(2) 如果A的特征值的实部都是非正的,且实部为零的特征值都是简单特征值,则方程的任一解当t时都保持有界;(3) 如果A的特征值至少有一个具有正实部,是方程至少有一个解当t时趋于无穷.。

江苏省专转本高等数学第五章常微分方程核心知识点例题讲解(含答案)

第五章常微分方程（简记ODE ）本章主要知识点● 可分离变量的ODE● 一阶线性非齐次常微分方程及推广● 二阶常系数线性齐次与非齐次常微分方程● 一些特殊类方程一、可分离变量的ODE1．基本型的解法基本型：()()dy G x H y dx= 基本解法： ()()dy G x dx H y = ()()dy G x dx H y =⎰⎰例5.1．1)0(,==-y e dx dy y x 解：dx e dy e x y =⎰⎰=dx e dy e x y通解为：c e e x y += 将1,0==y x 得：1-=e c 得 1-+=e e e x y例5.2．(1)ln y y y xdx '+= 解：(1)ln y dy xdx y+= 1(1)ln dy xdx y +=⎰⎰，得：ln ||ln y y x x x C +=-+例5.3．dx y x dy y x )1()1(122+=+-解：dx x x y dy y 2211)1(-=++，2(1)1y dy y +=+⎰ 得：()21arctan ln 12y y C ++= 例5.4．已知()f x 满足0()(1)()1x f t dt x f x +-=⎰，求()f x 。

解：由0()(1)()1xf t dt x f x +-=⎰知(0)1f =-。

方程两边对x 求导得()()(1)()0f x f x x f x '++-=，分离变量求得2()(1)c f x x =-，将(0)1f =-代入得1c =-，21()(1)f x x =--。

2．可转化的可分离变量的齐次方程 ()x y f y'= 方法：令()y p y p x x y p xp x''=⇒=⇒=+ xdx p p f dp p f dx dp x p =-⇒=+⇒)()(。

例5.5．y x y x dx dy +-= 解：xyx ydx dy +-=11 令p p dx dp x p xp p y px y x y p +-=+⇒+=⇒=⇒=11'', pp p p p p dx dp x +--=-+-=⇒121112 xdx p p dp p =--+⇒221)1( x dx p dp p =+-+⇒⎰2)1(2)1( C x p p +=---⇒ln 21ln 212，将xy p =代入即可。

第五章线性微分方程组答案

第五章线性微分方程组
一、单选题（共1题，20分）
1、下列说法错误的是( B )。

A 假设n n ⨯矩阵()A t 、()
B t 是可微的，则(()())()()A t B t A t B t '''+=+
B 假设n n ⨯矩阵()A t 、()B t 是可微的，则(()())()()A t B t A t B t '''=
C 假设n n ⨯矩阵()A t 、()B t 是可微的，则(()())()()()()A t B t A t B t A t B t '''=+
D 假设n 维向量()u t 、()v t 是可微的，则(()())()()u t v t u t v t '''+=+
二、填空题（共3题，60分）
1、齐次线性微分方程组()dy A x y dx
=的一个基本解组的个数不能多于( n ) 个,其中 2、若()t Φ是常系数线性方程组x Ax '=的基解矩阵,则exp At = ( 1()(0)t -ΦΦ )。

3、如果齐次线性方程组()x A t x '=的解12(),(),
,()n x t x t x t 线性无关,则它们的朗斯基行列.
式( ≠ )0(填“=”或“≠”)。

三、判断题（共1题，20分） 1、若()t Φ是齐次线性方程组()t '=x A x 的一个基解矩阵，C 为任意n n ⨯常数矩阵，那么()c ΦC 还是此方程组的基解矩阵。

（ × ）。

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第五章线性微分方程组研究对象一阶线性微分方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧++++='++++='++++=')()()()()()()()()()()()(2211222221212112121111t f x t a x t a x t a x t f x t a x t a x t a x t f x t a x t a x t a x n n nn n n nn n n n 1 基本概念1）一阶微分方程组的标准型含有n 个未知函数n x x x ,,,21 及其一阶导数的微分方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧='='='),,,,(),,,,(),,,,(2121222111n n nnn x x x t f x x x x t f x x x x t f x （5.1）称为一阶微分方程组的标准型，其中),,2,1)(,,,,(21n i x x x t f n i =是定义在1+n 维空间),,,,(21n x x x t 的某区域D 内已知的连续函数，t 是自变量。

2）初值问题求满足方程组（5.1）及初值条件n n t x t x t x ηηη===)(,,)(,)(0202101 的解的问题称为一阶微分方程组的初值问题（或柯西问题）。

表示如下⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧='='='),,,,(),,,,(),,,,(2121222111n n nnn x x x t f x x x x t f x x x x t f x 及n n t x t x t x ηηη===)(,,)(,)(0202101 。

3）通解方程组（5.1）含有n 个独立的任意常数n C C C ,,,21 的解⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===),,,,(),,,,(),,,,(2121222111n n n nn C C C t x C C C t x C C C t x ϕϕϕ称为它的通解。

4) 高阶线性方程与一阶方程组等价n 阶线性微分方程的初值问题⎪⎩⎪⎨⎧=='==+'+++---n n n n n n t xt x t x t f x t a x t a xt a x ηηη)(,,)(,)()()()()(0)1(20101)1(1)( 其中)(),,,2,1)((t f n i t a i =是区间],[b a 上确定的函数，n b a t ηηη,,,],,[210 ∈是确定的常数，它的解为)(t φx =。

只要令)1(321,,,,-=''='==n n x x x x x x x x ，它可以化为下列一阶线性微分方程组的初值问题⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡---='-)(000)()()(10000100001011t f t a t a t a n n x x ，ηx =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=n t ηηη 210)(，其中⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛'''='⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n n x x x x x x2121,x x ，并且它的解为⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛'=-)()()()(1t φt φt φt )(n φ。

同时，给定其中一个初值问题的解，就可构造另一个初值问题的解，在这个意义下，称上面两个初值问题是等价的。

5）一阶线性微分方程组若（5.1）中函数),,2,1)(,,,,(21n i x x x t f n i =关于n x x x ,,,21 是线性的，即⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧++++='++++='++++=')()()()()()()()()()()()(2211222221212112121111t f x t a x t a x t a x t f x t a x t a x t a x t f x t a x t a x t a x n n nn n n nn n n n （5.2）则称（5.2）为一阶线性微分方程组，简称为线性方程组，其中n j i t f t a i ij ,,2,1,),(),( =在区间],[b a 上连续。

6) 线性方程组的向量表示方程组（5.2）的向量形式为)()(t t dtd f x A x+= （5.3）其中⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=)()()()()()()()()()(212222111211t a t a t a t a t a t a t a t a t a t nn n n n n A ， ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=)()()()(21t x t x t x t n x ，⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=)()()()(21t f t f t f t nf ，⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=dtdx dt dx dt dx dt d n 21x 。

在方程组（5.3）中，若]),[(,)(b a t t ∈≡0f ，则有x A x)(t dtd = （5.4）称（5.4）为线性齐次方程组，否则称（5.3）为线性非齐次方程组，7) 向量函数组的线性相关和线性无关定义在区间],[b a 上的n 维向量函数)(,),(),(21t t t m x x x ，如果存在m 个不全为零的常数m C C C ,,,21 ，使得0≡+++)()()(2211t C t C t C m m x x x 在区间],[b a 上成立，则称这个向量函数组在区间],[b a 上线性相关，否则称)(,),(),(21t t t m x x x 线性无关。

8) 向量函数组的朗斯基行列式设)(,),(),(21t t t n x x x 是n 个向量函数，以)(t i x 作为第i 列),,2,1(n i =所构成的矩阵记为))(,),(),(()(21t t t t n x x x X =，将其行列式)(det t X 称为向量函数组)(,),(),(21t t t n x x x 的朗斯基行列式，记为)()()()()()()()()()(det )(212222111211t x t x t x t x t x t x t x t x t x t t W nn n n n n==X 。

9）基本解组和基本解矩阵若)(,),(),(21t t t n x x x 是线性齐次方程组（5.4）的n 个线性无关解，那么称)(,),(),(21t t t n x x x 是它的一个基本解组，并称矩阵))(,),(),((21t t t n x x x 为方程组（5.4）的基本解矩阵，简称基本解矩阵。

2 基本定理及性质定理5.1 如果矩阵函数)(t A 及向量函数)(t f 在区间],[b a 上连续，则对],[b a 上任一点0t 以及任意给定的0x ，初值问题],[,)()()(000b a t t t t dtd ∈⎪⎩⎪⎨⎧=+= x x f x A x在区间],[b a 内存在唯一的解。

定理5.2（线性齐次方程组的叠加原理）设)(,),(),(21t t t m x x x 是线性齐次方程组（5.4）的m 个解，则)()()()(2211t C t C t C t m m x x x x +++=也是（5.4）的解，其中m C C C ,,,21 是任意常数，即线性齐次方程组的任意有限个解的任意线性组合仍为该方程组的解。

定理 5.3 如果向量函数组)(,),(),(21t t t n x x x 在区间],[b a 上线性相关，则它们的朗斯基行列式)(t W 在区间],[b a 上恒等于零。

推论5.1 如果向量函数组)(,),(),(21t t t n x x x 的朗斯基行列式)(t W 在区间],[b a 上的某一点0t 不等于零，即0)(0≠t W ，则该向量函数组在区间],[b a 上线性无关。

定理 5.4 如果方程组（5.4）的n 个解在其定义区间],[b a 上线性无关，则它们的朗斯基行列式)(t W 在区间],[b a 上处处不为零。

推论 5.2 方程组（5.4）的n 个解在其定义区间],[b a 上线性无关的充要条件是它们的朗斯基行列式)(t W 在区间],[b a 上处处不为零。

定理5.5 线性齐次方程组（5.4）存在并且至多存在n 个线性无关的解。

定理5.6（刘维尔公式）若)(,),(),(21t t t n x x x 是线性齐次方程组（5.4）的n 个解，则这n 个解的伏朗斯基行列式与方程组（5.4）的系数有如下关系式⎰+++=tt nn dtt a t a t a et W t W 02211)]()()([0)()( 。

定理5.7 （线性齐次方程组通解结构）如果向量函数组)(,),(),(21t t t n x x x 是线性齐次方程组（5.4）的n 个线性无关解，则方程组（5.4）的任一解)(t x 均可表示为)()()()(2211t C t C t C t n n x x x x +++= ，这里n C C C ,,,21 是n 个相应的常数。

结论1（线性齐次方程组通解结构的矩阵表示）线性齐次方程组（5.4）的通解为C Φx )()(t t =，其中)(t Φ为（5.4）的基本解矩阵，C 为任意常向量。

性质5.1 如果)(*t x 是线性非齐次方程组（5.3）的解，而)(0t x 是其对应线性齐次方程组（5.4）的解，那么)(*)(0t t x x +是线性非齐次方程组（5.3）的解。

性质5.2 线性非齐次方程组（5.3）的任意两个解的差是其对应线性齐次方程组（5.4）的解。

定理5.8（非齐次方程组通解结构）线性非齐次方程组（5.3）的通解等于其对应的齐次线性方程组（5.4）的通解与其自身的一个特解之和，即若)(*t x 是线性非齐次方程组（5.3）的一个特解，)(,),(),(21t t t n x x x 是线性齐次方程组（5.4）的n 个线性无关的解，则)()()()()(2211t t C t C t C t n n *++++=x x x x x 就是（5.3）的通解。

结论2（线性非齐次方程组通解结构的矩阵表示）线性非齐次方程组（5.3）的通解为)()()(t t t *+=x C Φx ，其中)(t Φ为（5.4）的基本解矩阵，C 为任意常向量，)(*t x 是非齐次线性方程组（5.3）的一个特解。

结论3 （常数变易公式）如果)(t Φ是线性齐次方程组（5.4）的基本解矩阵，则线性非齐次方程组（5.3）满足初始条件ηφ=)(0t 的特解)(*t x 由下面公式给出⎰--+=tt ds s s t t t t 0)()()()()()(*101f ΦΦηΦΦx其中)(1t -Φ表示矩阵)(t Φ的逆矩阵。