ТЕОРЕМА (о
структуре общего решения линейной однородной системы дифференциальных
уравнений). Пусть – линейно независимые решения системы
(11.3) с непрерывными коэффициентами
Тогда ее общее
решение имеет вид:
, где
–
произвольные постоянные.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО.
По теореме о линейной комбинации решений вектор-функция является решением системы (11.3).
Зададим начальное условие, удовлетворяющее условиям теоремы Коши
– система линейных уравнений, основной определитель
которой
, так по условию решения
линейно независимы. Значит, система имеет
единственное решение
, а
–
решение (11.3), удовлетворяющее поставленному начальному условию.
Что и требовалось доказать.
ТЕОРЕМА (о
структуре общего решения линейной неоднородной системы дифференциальных
уравнений). Пусть – некоторое частное решение
линейной неоднородной системы дифференциальных уравнений (11.2), а
– общее решение
соответствующей однородной системы (11.3). Тогда общее решение системы (11.2)
имеет вид:
.
Доказать самостоятельно.
11.2. Решение систем линейных однородных дифференциальных
уравнений с постоянными коэффициентами
Рассмотрим линейную однородную систему дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами:
(11.4)
где
.
Будем
искать решение (11.4) в виде , или
, где
–
некоторый постоянный вектор. Очевидно,
, поэтому
после подстановки
в (11.4) получим:
, где
– единичная матрица
-го порядка. Запишем последнее равенство в
виде системы линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных
:
(11.5)
Как известно (см.гл.1), однородная система линейных алгебраических уравнений имеет нетривиальное решение тогда и только тогда, когда ее определитель равен нулю, то есть
. (11.6)
Уравнение (11.6) называется характеристическим уравнением
матрицы . Оно является уравнением
-ой степени относительно
и потому имеет ровно
корней – действительных или комплексных.
Корни характеристического уравнения (11.6) называются собственными
значениями матрицы .
Решим (11.6) и найдем все собственные значения матрицы А.
Подставляя каждое из них в (11.5), будем получать
систему линейных однородных уравнений с нулевым определителем. Любое
нетривиальное решение этой системы называется собственным
вектором матрицы
, соответствующим собственному
значению
.
Можно показать, что если уравнение (11.6) не имеет
кратных корней, то существует линейно независимых
собственных векторов
, то есть таких векторов, ни один
из которых не выражается через другие с помощью линейной комбинации.
Найдя для каждого собственного значения матрицы собственный вектор, получим
линейно независимых решений системы
(11.4):
. Тогда по теореме о структуре общего
решения линейной однородной системы общее решение запишется в виде
.
Решение системы (11.4) зависит от характера корней характеристического уравнения (11.6): они могут быть действительными или комплексными, простыми или кратными.
Рассмотрим на примерах всевозможные случаи.
1) Все корни (11.6) действительны и различны.
ПРИМЕР. Решить систему дифференциальных уравнений:
.
Составим
характеристическое уравнение (11.6) :
– собственные значения матрицы
.
Найдем собственные векторы.
а) . Подставим это значение
в (11.5):
– векторная запись системы (11.5), или
– система трех линейных уравнений с
определителем
. Заметим, что ранг основной
матрицы этой системы равен 2, поэтому система имеет одну свободную переменную.
Выберем любые два уравнения, зададим одну из переменных произвольно (например,
) и найдем частное решение:
.
ЗАМЕЧАНИЕ.
Так как основной определитель системы (11.5) равен
нулю, то алгебраические дополнения элементов любой ее строки являются частными
решениями:
(напомним, что
, где
– дополнительный минор). Действительно,
полагая, например,
, получим:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.