2.  常系数线性微分方程组

    微分方程组

                                       (3)

称为常系数线性微分方程组,式中aij是常数.当fi(t)≡0 (i=1,2,…,n),称(3)为齐次的,当fi(t)不全恒等于零,称(3)为非齐次的.

    [特征根与齐次方程组的线性无关解]

是λ的n次代数方程,它称为非齐次线性微分方程组(3)所对应的齐次线性微分方程组的特征方程,特征方程的根称为特征根.

根据特征根的不同情形,给出齐次线性微分方程组线性无关解的不同形式.

特征根λ

线性无关解中相应的解的形式

说   明

λ是单实根

         ( j = 1, 2,…,n )

Aj是待定常数

λ是r重实根

       ( j = 1, 2,…,n )

Pj(t)是系数待定的次数不超过r-1次的多项式

λ=α±iβ是k重复根

                  ( j = 1, 2,…,n )

Qj(t) ,Rj(t)是系数待定的次数不超过k-1次的多项式

    [用常数变易法求非齐次方程组的特解]  非齐次线性微分方程组(3)的一个特解,可由对应的齐次线性微分方程组的通解利用常数变易法求得.

    设y11,y21,…,yn1;y12,y22,…,yn2;…;y1n,y2n,…,ynn是对应的齐次线性微分方程组的n个线性无关解.那末非齐次线性方程组的一个特解y1*,y2*,…,yn*可由下列形式确定

式中ci(t)是待定函数,它们满足下列方程组:

从上面方程组解出,再积分就得出所要求的ci(t) (i=1,2,…,n)

    例  求解微分方程组:

                                               (1)

    解  先求对应的齐次线性微分方程组

                                                 (2)

的通解.由特征方程

可知特征根为λ=5,.则相应的线性无关解是如下形式:

                          

分别代入齐次线性方程组(2),利用待定系数法,确定出

A1=c1 , A2=2c1 ,      (c1 是任意常数)

B1=c2 , B2= ,      (c2 是任意常数)

所以齐次线性方程组 (2)的通解为

          (c1 ,c2 是任意常数)

    其次,利用常数变易法求非齐次线性方程组(1)的一个特解.把c1 ,c2看成是t的函数,解下列方程组

得

积分后,取

于是所求方程组(1)的通解是

式中c1 ,c2为任意常数.