提要61联立齐性ODE的解法(三)--矩阵解法(重根)_第1页
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文档简介

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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