线性微分方程解的结构

上一节解释了,即的所有解是某,比如上一节提到的:

的所有解由该非齐次的特解和齐次的所有解构成,比如上一节提到的:

解的结构也是类似的,本节来学习一下。其中涉及很多概念和定理,也会一并介绍。

1 线性相关与线性无关
为定义在区间上的个函数,如果存在不全为零的实数,使得当时恒有:

那么称在区间 线性相关 的,否则称 线性无关

这和《线性代数》中的几乎完全一样,可进行类比理解。这里特殊的是将个函数看作了,这属于数学别的分支(比如抽象代数、高等代数、泛函等)中的内容,感兴趣的同学可以自行学习,本课程就不展开了。

2 齐次线性微分方程的通解
如果

个线性无关的解,那么此方程的为:

这和上一节提到的非常类似,也可进行类比理解。

举一个例子,比如是二阶齐次线性方程,容易验证是所给方程的两个解。若这两个解线性相关,根据上面的定义,也就是说存在不全为零的实数使得当时恒有,那么会推出:

不是常数,所以这是两个线性无关的解,因此所给方程的为:

也容易验证是所给方程的解,但不是线性无关的两个解,所以没法构造。或者说构造出来也不符合

3 非齐次线性微分方程的通解
如果

一个是对应的

的通解,那么此非齐次线性微分方程的为:

这和上一节提到的非常类似,也可进行类比理解。

之前介绍的时候,也提到过该结论:

这里再举一个例子,比如是二阶非齐次线性方程,上面解释了。又容易验证是所给方程的,因此所给方程的为:

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