9.常微分方程 III
线性常系数微分方程
1. 算子多项式的映射
当我们面对一个
其实是在讨论微分算子
所谓的特征方程
2. 根子空间与核空间(Kernel)的分解
根据代数基本定理,多项式
对应到微分算子,就有
由于这些算子因子
这里的每一个子空间
3. 基向量的生成机制
在每个根子空间
-
当
(单根)时,子空间由特征向量 张成。 -
当
(重根)时,单纯的特征向量不足以填满维度,于是产生了广义特征向量。
通过平移公式
所以实际上,常系数线性微分方程要做的也就只有做多项式分解,多项式分解能搞定,微分方程也就解决了。
例
例如
特解
这个一方面是猜,如果要一般地做,也可以如下考虑: “套娃”式地定义中间变量:
-
令
-
则第一步求解:
- 得到 后,再解 - 依此类推,直到解出 。
不过积分的话,就未必算的出了(
猜解
实际上也就是直觉经验。
1. 为 次多项式 当 时:
-
若
不是特征根(即 ):设特解 (同阶多项式)。 -
若
是单特征根(即 ):设特解 。 -
若
是二重特征根(即 ):设特解 。
2. 为指数函数 当 时:
-
若
不是特征根:设 。 -
若
是单特征根:设 。 -
若
是二重特征根:设 。
3. 为正余弦函数组合
当
-
若
不是特征根:设 。 -
若
是特征根:设 。
4. 复合形式
当
这是最复杂的情况。设
另一种理解
我们之前从线性代数的角度思考了线性常系数微分方程的解,实际上可以考虑所谓的特征方程,而不考虑线性代数,虽然实际上几乎是一个东西,但是可以换种角度理解。
考虑二阶线性递推方程:
我们不会解,但是我们会解等比的递推,于是想到构造
或者也就是
这样,我们与原来的方程比较就能解出
二阶不会,一阶还是会的,于是构造
也就是
同样,与原式对比就可以解出
可知
积分并化简得到
然后乘上因子
积分得到
也就有
不难解出特征方程两根,于是
如果两根相同,那么记为
同样有
同样作用
于是得到
这与我们考虑线性算子时得到的结果一致。
特解
在线性算子中,我们具体考虑特解的一般性计算,将考虑微分算子的逆,笨人并未研究。 这里我们则可以比较形式化地直接得到特解,考虑:
我们故技重施,写成:
这就降成了一阶微分方程,这样乘上积分因子
积分得到:
再来一次:
如果两根不同,则积分:
把常数分离一下就得到:
也就得到了解的一般形式,但是一般猜解还是舒服一点。
如果两根相同,那么第二项积分就变成
第一项积分看起来有点丑陋,而且并不对称,但实际上可以通过运算化简,我们写成定积分:
分部积分:
最终形式:
①
②
这是非常正统,非常一般化的解,但是显然不太好算,也记不住。我们观察形式,发现:
常数变易法
被判定为邪修,但是很好用(),根据上面我们的观察,我们知道只要整出来齐次的解,只要把系数设成新的函数带进去解出来就可以得到方程的解。实际上就是我们算出来的那一大坨,但是那显然不好记忆()
这实际上对非常系数的微分方程也成立,就不证了(buhui),非常系数的齐次解也没有通用的解法,但是我们还是假定我们找到了齐次的通解
原方程:
假装解出来了齐次解,安上两个系数函数:
求导:
那么就得到两个方程:
这里的
从而
欧拉方程
其中
那么什么函数值域大于
例如,我们考虑
那么换元后就是
整理得到
这个丑陋的方程就不解了,总之是解出两个根
但是这还不是
但是这要求
相应的,如果有重根,就得到
伯努利方程
如果没有
发现
就得到了标准的一阶非齐次方程的形式。
一阶 ODE 组
为了方便描述,可以记
通解形如
因为要解
存在唯一性条件则相应有所变化,要求对
为什么要研究方程组
我们考虑
也就是说,要解
对存在唯一性条件,我们看
那么对应的雅可比矩阵也就是
这个矩阵
二阶微分方程存在唯一性条件要求
各种形式
1. 一般形式(General Form)
最顶层是高度抽象的非线性向量方程:
- 含义:系统的演化速率
取决于当前自变量 和状态向量 的某种复杂非线性组合。
2. 线性化(Linearization)
通过引入“线性”约束,方程退化为变系数线性微分方程组:
-
结构:
-
是系数矩阵,其元素随自变量 变化。 -
是非齐次项(或称强制项)。
-
-
逻辑:此时状态
对演化速率的影响是线性的。
3. 常系数化(Constant Coefficients)
进一步引入“常系数”约束,方程退化为最易求解的形式:
-
核心变化:矩阵
不再随 变化,而是一个常数矩阵。 -
价值:这是线性代数介入最深的领域,可以通过计算矩阵
的特征值和特征向量(如 Jordan 标准型)来直接写出通解。