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1、提要61:聯立齊性ODE的解法(三)-矩陣解法(重根)本單元擬介紹重根時,聯立齊性微分方程式之矩陣解法。若聯立齊性微分方程式可表示如下: (1)或 (1)上式亦可簡寫為: (1”)其中、。式(1”)之解應考慮為: (2)其中稱為特徵根(Characteristic Root, Eigenvalue)。上式亦可表為: (2)其中,稱為特徵向量(Eigenvector)。只要特徵根與特徵向量可以研討出,即可解出問題之解。今再將式(2)代入式(1”),則: (3)上式可繼續化簡為: (3)然後合併等號左右兩邊: (4)上式若展開,則可表為: (4)因為,所以:或 (5)上式亦可表為: (5)展開式(
2、5),可得一個以為未知數之一元n次方程式,稱為特徵方程式(Characteristic Equation),解析此方程式,即可得知問題之n個特徵根。最後再將特徵根代回式(4),即可解出特徵向量,故式(2)之解可研討出。因所考慮之問題為特徵根有產生重根,故解析特徵向量時需較為小心,此一重點將於後面及例題中加以說明。 當時則問題之第一組解較為單純,只要將代回式(4),應即可找出問題之第一組特徵向量,並推求出問題之第一組解:或 (6)然而,在推求第二組答案時,應考慮問題之解為:或 (7)其中僅u為未知矩陣。只要將式(7)代回式(1”),即可解出未知之u矩陣,亦即問題之第二組解亦可求出。 當時同理,將
3、代回式(4),應即可找出問題之第一組特徵向量,並推求出問題之第一組解:或 (8)在推求第二組答案時,應考慮問題之解為:或 (9)其中僅u為未知矩陣。只要將式(9)代回式(1”),即可解出未知之u矩陣,亦即問題之第二組解亦可求出。而問題之第三組答案應考慮為:或 (10)再將式(10)代回式(1”)解出v矩陣。其餘之重根情況,亦可依此觀念研討出問題之解。範例一試解出聯立常係數齊性微分方程式之通解:。解答:首先將聯立常係數齊性微分方程式寫成矩陣之型式如下: (a)再考慮問題之解為: (b)然後代回式(a),則:上式可繼續化簡為:合併等號左右兩邊後,可得:再整理為: (c)上式絕對不要誤寫為:因為刮弧中之矩陣與一個數相減是不對的!由於所以:亦即特徵方程式可表為:解此特徵方程式可得:經整理後可知:再加以因式分解為:故問題之特徵根(Eigenvalue)為:、 當時將代回式(c),則:亦即:上式亦可表為:由此可知:故問題之第一組解為:為單純起見,以下之解析,可考慮。 討論問題之第二組解因問題係重根之情況,故問題之第二組解應考慮為:再代回式(a),則:上式亦可表為:再繼續化簡為:由此可知:可考慮或或故問題之第二組解為:因原聯立微分方程式
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