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.