矩陣指數與非齊次方程組
非齊次系統(nonhomogeneous system)
齊次系統 x' = A x 描述放任不管的事物,溫度鬆弛、物種互動、電流穩定下來,沒有外來推力。但真實系統通常是被驅動的:暖氣灌入熱量、發電機供給電壓、移入為人口添丁。非齊次系統就是加上了這類外部輸入的線性系統:x' = A x + g(t),其中 g(t) 是給定的強迫向量,往往隨時間變化。
它的解有乾淨的兩部分結構,恰與單一方程的情形如出一轍。通解是 x(t) = x_h(t) + x_p(t):一個互補部分 x_h,即齊次系統 x' = A x 的通解(由 e^(At) 與一個任意常數向量構成),加上任一個處理強迫 g(t) 的特解 x_p。齊次部分承載系統自身的固有行為,以及匹配任意初始條件的自由度;特解部分則是專門對輸入的響應。疊加原理保證這種拆分行得通,也意味著若強迫是若干片段之和,你可分別求每片段的響應再相加。
x_h 中的自然衰減或成長就是暫態,對穩定的 A 它會消逝,讓受迫響應在長期主導,正如被驅動的振子最終安頓進驅動者的節奏。求 x_p 才是真正的工作,而系統的萬用工具是參數變易法,它對 e^(At) 產生杜哈梅卷積積分。對特殊強迫(常數、多項式、指數、正弦)用待定係數法猜測可能更快。
兩個交換鹽水的水箱會自行安頓到固定濃度(齊次部分),但若你不斷往第一個水箱倒入新鹽,g(t) 就是那穩定輸入。完整的鹽量是自然混合的暫態 x_h(會消退)加上追蹤穩定流入的特解 x_p,過一陣子只剩 x_p,即強迫所設定的新平衡。
通解=互補解(系統自身行為)+特解(對強迫的響應);與單一方程相同的齊次加特解拆分。
加上一個特解並不改變齊次解族,任意常數全在 x_h 之中,故你只在組裝出 x_h + x_p 之後才施加初始條件,絕不對 x_p 單獨施加。
又称
另见