Общие свойства линейных систем:
1.
Если –
решение системы
, то
– тоже
решение этой системы при любом постоянном С.
2.
Если и
– решения системы
,
то
– тоже решение этой системы.
3.
(Принцип суперпозиции) Пусть и пусть
–
решение системы
. Тогда
–
решение системы
.
4.
Пусть –
решения системы
. Тогда
–
решения этой же системы при любых постоянных
.
5.
Пусть – любое
частное решение системы
– решение системы
. Тогда
–
решение системы
.
Пусть
система имеет комплексное решение
. Тогда функции
и
будут вещественными решениями этой
системы.
§4.3 Решение однородных линейных систем
Пусть
рассматривается система векторных функций . Эта система
называется линейно независимой, если
тогда и только тогда,
когда
, иначе система называется линейно
зависимой.
1. Если – линейно зависимые решения системы, то
определитель Вронского
.
2. Если линейно независимые решения системы
, то
.
Система
линейно независимых решений системы порядка n
называется фундаментальной системой решений (ФСР).
Функции ФСР получаются при решении задачи Коши.
Пусть – ФСР системы
. Тогда
– общее решение. Здесь
– любые постоянные.
Чтобы получить общее решение системы достаточно построить ФСР этой системы. В общем случае переменных коэффициентов общего метода построения ФСР в элементарных функциях нет. В случае постоянных коэффициентов ФСР системы можно получить всегда.
§4.1. Решение однородных линейных систем с постоянными коэффициентами
Рассмотрим систему уравнений , где
. Будем
искать решение в виде
. Подставляем
,
–
собственный вектор, а l –
собственное значение матрицы A. Собственные
значения – корни характеристического (векового) уравнения
. Это алгебраическое уравнение относительно
l степени n.
1. Пусть
уравнение имеет простые вещественные корни
. Тогда матрица A
имеет простые собственные значения
. Каждому
сопоставляем собственный вектор
. Имеем собственные векторы
. Они линейно независимы. По формуле
получаем решение системы
. Эти решения линейно независимы (т.к.
определитель Вронского отличен от 0), их n,
следовательно, они образуют ФСР. Общее решение системы
.
2. Корни
характеристического уравнения простые, но среди них
есть комплексные. Пусть
– корни уравнения
. Они являются собственными значениями
матрицы A. Пусть
–
какой-либо корень. Если он вещественный, то по формуле
получаем
решение:
. Пусть теперь
–
комплексный корень,
. Тогда в силу вещественности
матрицы A существует ещё один корень
. Этим комплексным значениям соответствуют
комплексные собственные векторы
и
, причём
,
следовательно, корням
и
сопоставляется
комплексные решения
и
. При
этом
,
.
Выбираем
. В итоге двум комплексным корням
поставлены в соответствие два вещественных решения. Разбираясь таким образом с
каждым корнем уравнения
, получаем n решений. Эти решения линейно независимы, следовательно,
они образуют ФСР, следовательно, можно записать общее решение системы
.
3. Пусть
уравнение имеет корни
,
соответственно, кратности
. Имеем
. Если
, то все корни простые. Этот случай
уже рассмотрен. Пусть
, тогда существует хотя бы один
корень
кратности
.
По-прежнему сопоставляем каждому корню решения системы
,
число которых равно кратности корня. Поскольку
–
кратный корень, ему можно сопоставить по формуле
в общем
случае несколько решений
, где
– линейно независимые собственные векторы,
соответствующие собственному значению
. Если
, недостающие решения можно искать в виде
, где
–
неопределённые постоянные векторные коэффициенты (удобнее взять
). Выбирая
,
достраиваем недостающие решения до
. Поступая таким образом
с каждым кратным корнем, получаем n решений
системы
. В общем случае эти решения комплексные.
Выделяя вещественные и мнимые части у построенных решений (как в пункте 2),
получаем n вещественных решений системы
. Они линейно независимы, следовательно,
они образуют ФСР. Получаем общее решение системы
.
Отметим, что можно ограничиться и выбором комплексной ФСР. В этом случае при
записи общего решения системы произвольные постоянные также должны быть
комплексными.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.