线性常微分方程:高阶与方程组
基本解组(fundamental set of solutions)
齐次线性常微分方程拥有的不是一个解,而是一整个解的空间;如同任何向量空间,那个空间有一组基——一个最小的集合,从中可经组合得到每一个成员。基本解组正是这组基。一次找到它,你便等于同时找到了所有的解。
确切地说,对区间上的 n 阶线性齐次常微分方程,基本解组是任意 n 个线性无关的解 y_1, ..., y_n 所组成的集合(等价地,n 个朗斯基行列式非零的解)。存在唯一性定理保证这样的集合存在。一旦有了它,通解就是 y = c_1 y_1 + ... + c_n y_n,而这 n 个常数可被选定以匹配任意给定的初值条件——这正是该集合“完备”而不仅仅“无关”的含义。
基本解组是每个线性常微分方程问题前半段的目标:由特征方程你读出 n 个无关解(指数、多项式乘指数、正弦与余弦),把它们拼成齐次解,再加上一个特解。同样的想法可推广:在斯图姆–刘维尔理论中,本征函数扮演展开的基本解组角色;而对方程组,基解矩阵的各列是其向量类比。
对 y'' - 3y' + 2y = 0,特征根为 1 与 2,故 { e^x, e^(2x) } 是一组基本解,通解为 y = c_1 e^x + c_2 e^(2x)。
两个无关解张成二阶齐次线性常微分方程的所有解。
n 阶恰需 n 个解——不多不少。n+1 个“解”必然相关;少于 n 个则无法满足全部初值条件。基本解组并不唯一:任意无关的重新组合都是另一组有效的基本解。
又称
另见