在本节里面, 我们将对常数系数下的齐次线性系统进行求解. 假设y(t)是关于变量t的函数, 满足
a0y(t)+a1y′(t)+⋯+any(n)(t)=0,(6.1)
且a0,⋯,an均为与t无关的非零常数, y(n)(t)为y关于t的n阶导数.形如上式的方程便是我们本节所讨论的重点. 按照上一节提出的方法, 我们可以将等式(6.1)写成是一个线性方程组的形式: 我们不妨设y1(t)=y(t),y2(t)=y′(t),⋯,yn(t)=y(n−1)(t), 那么这样一来我们便有y1′(t)=y2(t),y2′(t)=y3(t),⋯, 以及
yn′(t)=y(n)(t)=−ana0y(t)−ana1y′(t)−⋯−anan−1y(n−1)(t)=−ana0y1(t)−ana1y2(t)−⋯−anan−1yn(t).
因此我们便有
y1′(t)y2′(t)⋮yn′(t)=y2(t)y3(t)⋮−ana0y1(t)−ana1y2(t)−⋯−anan−1yn(t)=00⋮−ana010⋮−ana101⋮⋯⋯⋯⋱⋯00⋮−anan−1y1(t)y2(t)⋮yn(t).
因此我们便有形如
y′(t)=Ay(t)
的常微分方程组. 形如这样的方程组也被称作自治系统 (Autonomous System). 即矩阵A中的元素与t无关. 我们在今后的篇幅中只研究自治系统.
例题 6.4
将微分方程y′′′(t)−2y′′(t)+4y′(t)−5y(t)=0写成y′(t)=Ay(t)的形式.
解答 6.4
设y1(t)=y(t),y2(t)=y′(t),y3(t)=y′′(t). 则
y1′(t)=y2(t),y2′(t)=y3(t),y3′(t)=2y′′(t)−4y′(t)+5y(t)=2y3(t)−4y2(t)+5y1(t).由此我们可知
y1′(t)y2′(t)y3′(t)=00510−4012y1(t)y2(t)y3(t).
随后我们来学习如何求解这样的常微分方程组. 在求解之前, 我们需要先给出有关微分方程组解的存在唯一性定理:
定理 6.2
设y′(t)=A(t)y(t)+b(t), A(t)∈Mn(R),b(t)∈Rn. 若A(t),b(t)中的每一个元素均为定义在I上关于t的连续函数, 那么对任意的t0∈I, 初值问题y′(t)=A(t)y(t)+b(t),y(t0)=y0在I上存在唯一解y(t).
该定理的证明和上一节中的定理5.1的证明十分相似.
在求解这样的方程时, 我们不妨先尝试将问题简化: 假设矩阵为1×1, 那么这样一来, 我们可以得到形如
y′(t)=λy(t)(6.2)
的方程, 其中λ为常数. 我们将y′(t)改写作dtdy, 于是我们有
dtdy=λy.
形式上分离变量可得
y1dy=λdt⟹∫y1dy=∫λdt.
由此不难看出(6.2)的解为y(t)=Ceλt, 其中C为常数. 那么对于形如y′(t)=Ay(t)的方程组, 我们是不是也可以类比这种方法呢? 我们可以尝试将该方程的解写成若干个形如eλt的线性组合. 设A∈Mn(R), 在方程组y′(t)=Ay(t)里面, 我们假设y1(t)=eλtv为满足条件的一个解. 因此我们有
y1′(t)=λeλtv, 那么
y1′(t)=Ay1(t)⟹λeλtv=Aeλtv.
如果我们将eλtv看作一个整体u, 我们便会得到Au=λu. 也就是说, 在y1(t)=eλtv中, 若y1′(t)=Ay1(t), 则λ为A的一个特征值, v为与之相关的特征向量. 如果此时A有多个特征值, 这些特征值与特征向量所构成的解yi(t)=eλitvi的线性组合是否也为满足条件的解呢?
定理 6.3
在y′(t)=Ay(t)中, 若y1(t),y2(t)均为原方程的解, 那么∀c1,c2∈R, c1y1(t)+c2y2(t)也为原方程的解.
因此, 我们知道微分方程组的解即可看作是若干个线性无关的“基础解”的线性组合.
定义 6.4
我们若将y′(t)=Ay(t)的解y1(t),⋯,yn(t)当作列向量写到一个矩阵Y(t)=(y1(t)⋯yn(t)), 我们则称Y(t)为一个矩阵解 (Matrix Solution).
根据线性代数的知识, y1(t),⋯,yn(t)彼此线性无关的充要条件为对任意的t, det(Y(t))=0. 此时我们称y1(t),⋯,yn(t)
为y′(t)=Ay(t)的一个基础解系 (Fundamental Solution). 如果A∈Mn(R)有n个不同的实数特征值λ1,⋯,λn, 那么我们便可以找到n个与特征值所对应的彼此线性无关的特征向量v1,⋯,vn. 由此, 方程组y′(t)=Ay(t)的解便可以看作是由yi(t)=eλitvi所构成的线性组合:
y(t)=c1eλ1tv1+⋯+cneλntvn.
定理 6.4
设常数系数下的线性齐次常微分方程组y′(t)=Ay(t), A∈Mn(R). 若A有n个不同的实数特征值λ1,⋯,λn, 其对应的特征向量分别为v1,⋯,vn. 则y′(t)=Ay(t)的解集为
y(t)=c1eλ1tv1+⋯+cneλntvn,c1,⋯,cn∈R.
对于存在n个不同的实数特征值的矩阵而言, 线性齐次常微分方程组y′(t)=Ay(t)便很好求得. 我们不禁要问: 如果A含有复数特征值呢? 如果A无法对角化呢? 我们将在本节讨论特征值为复数的情况.
推论 6.4
设A∈Mn(R), 且λ=a+bi为A的一个特征值, 那么λˉ=a−bi也为A的一个特征值. 特别地, 如果u+iv为λ=a+bi所对应的特征向量, 那么u−iv为λˉ=a−bi所对应的特征向量.
设A∈Mn(R)存在复数特征值. 我们取λ=a+bi,(a,b∈R)和特征向量u+iv,(u,v∈Rn), 那么根据定义,
y(t)=e(a+bi)t(u+iv)(6.3)
即为满足条件的一个解. 但由于A∈Mn(R), 所以我们不能就这样把这一个复数解直接放上去. 我们可以利用Euler公式对式子(6.3)进行变形. 根据Euler公式, eix=cos(x)+isin(x). 那么
y(t)=eλt⋅(u+iv)=eat⋅(ebitu+ebit(iv))=eat⋅((cos(bt)+isin(bt))u+i⋅(cos(bt)+isin(bt))v)=eat⋅(cos(bt)u−sin(bt)v)+i⋅eat(sin(bt)u+cos(bt)v).
推论 6.5
设y1(t)=eat⋅(cos(bt)u−sin(bt)v),y2(t)=eat(sin(bt)u+cos(bt)v). 则y1(t),y2(t)均为原方程组y′(t)=Ay(t)的解.
证明
由于y(t)=y1(t)+iy2(t) and y′(t)=Ay(t), 那么
y′(t)=y1′(t)+iy2′(t)=Ay1(t)+iAy2(t).由于b=0, 则y1(t),y2(t)线性无关. 因此y1′(t)=Ay1(t);y2′(t)=Ay2(t).
∎
例题 6.5
设α,β,γ∈R, 矩阵A=αβ0−βα000γ. 求出 y′(t)=Ay(t)的解集.
解答 6.5
A的特征多项式为
p(λ)=det(A−λI)=detα−λβ0−βα−λ000γ−λ=(γ−λ)[(α−λ)2+β2],因此A的特征值为
λ1=α+iβ,λ2=α−iβ,λ3=γ,与特征值所对应的特征向量为
u1∈ker(A−λ1I)=ker−iββ0−β−iβ000γ−α−iβ∈Span1−i0⟹令u1=1−i0.根据推论6.4, 我们很容易得到
u2=1i0.
最后,
u3∈ker(A−λ3I)=Span001⟹令u3=001对于特征值α±βi而言, 其对应的解满足
y(t)=eαt(cos(βt)+isin(βt))⋅100+i0−10=eαtcos(βt)100−sin(βt)0−10+ieαtsin(βt)100+cos(βt)0−10.则
y1(t)=eαtcos(βt)sin(βt)0,y2(t)=eαtsin(βt)−cos(βt)0.对于λ3=γ而言, 显然y3=eγtu3. 则原方程的解集为
y(t)=c1eαtcos(βt)sin(βt)0+c2eαtsin(βt)−cos(βt)0+c3eγt001,c1,c2,c3∈R.
{6.2 练习}
1. [带阻尼的LRC电路] 考虑串联LRC电路: 其中L为电感, R为电阻, C为电容. I(t)= 为电路中的电流. 已知微分方程
LI′′(t)+RI′(t)+C1I(t)=0.
(i) [过阻尼] 设L=1,R=3,C=0.5. 求出I(t)随时间的变化关系. 并大致画出其图像;
(ii) [欠阻尼] 设L=1,R=1,C=1. 求出I(t)随时间的变化关系. 并大致画出其图像.
2. [溶液溶质问题] 如图, 有A,B,C三个密封良好且装满水的水缸, 且A,B;B,C;A,C水缸之间通过单向阀连接. A,C水缸容积均为60L, B水缸容积为30L. 已知A,B,C缸中均匀且充分地溶解了0kg,1kg,4kg的盐, 且三个单向阀均处于闭合状态. 在某一时刻 (t=0), 三个阀门突然同时开启. 随后每单位时间内有10L的盐水分别由A流向B, 由B流向C, 以及由C流向A. 设A,B,C缸中盐水的浓度在t时刻分别为y1(t),y2(t),y3(t) (单位: kg/L). 建立合适的微分方程组, 求出y1(t),y2(t),y3(t)随时间的变化关系.
3. [弹簧振子系统] 如图,物块m1,m2被三根劲度系数分别为k1,k2,k3的弹簧连接. 设在t时刻对m1,m2施加的力分别为F1(t),F2(t),物块m1,m2相较初始位置的位移分别为x1,x2. 取右边为正方向,不计一切摩擦,根据牛顿运动定律和胡克定律我们有
m1x1′′(t)=k2(x2−x1)−k1x1+F1(t);
m2x2′′(t)=−k3x2−k2(x2−x1)+F2(t).
设m1=m2=1,k1=k3=1,k2=2,F1=F2=0. 求出x1(t),x2(t)的通解, 并大致描述不同的初始条件x1(0),x2(0),x1′(0),x2′(0)对系统可能产生的影响.
