2025年8月24日星期日

non-homogeneous linear ode

non-homogeneous linear ode

给定线性变换 L:RnRn,以及 f(t):RRn,待求 y(t):RRny(0)=y0
解出满足条件的 y: y(t)=L(y(t))+f(t)


L 所对应的矩阵为 A,令 z(t):=etAy(t)

因为

ddt(etAy(t))=ddtetAy(t)+etAy(t),ddtetA=AetA=etAA,

所以

z(t)=(AetA)y(t)+etA(Ay(t)+f(t))=etAf(t).

0t 积分:

etAy(t)y0=0tesAf(s)ds.

变形,两边同乘 etA

y(t)=etAy0+0te(ts)Af(s)ds.

现在问题转化为计算 etA0te(ts)Af(s)ds

A 做 Jordan 分解,A=PJP1J=diag(Jλ1,Jλ2,,JλL)

xλ(t)=Jλxλ(t)+f~λ(t),=1,,L,etJ=diag(etJλ1,etJλ2,,etJλL),etJλ=k=1metJλ(k),Jλ(k)=λIr,k+N,k,(N,k)r,k=0,etJλ(k)=eλt(Ir,k+tN,k+t22!N,k2++tr,k1(r,k1)!N,kr,k1),f(t)=eαtq,q~:=P1q=(q~λ1 | q~λ2 |  | q~λL),q~λ=(q~λ(1); q~λ(2); ; q~λ(m)),q~λ(k)Rr,k,0te(ts)Jeαsq~ds==1L 0te(ts)Jλeαsq~λds,0te(ts)Jeαsq~ds==1L k=1meαtr=0r,k1N,krr!Ir(t;λα)q~λ(k),I0(t;c)=ect1c(c0),Ir(t;c)=ecttrcrcIr1(t;c)(r1, c0),Ir(t;0)=tr+1r+1.

注 : 利用Cayley–Hamilton定理可以绕过A的Jordan分解 :

χA(λ)=λn+cn1λn1++c0,χA(A)=0.
etA=k=0n1ϕk(t)Ak,An=cn1An1c0I.
{ϕ0(t)=c0ϕn1(t),ϕ1(t)=ϕ0(t)c1ϕn1(t),ϕn2(t)=ϕn3(t)cn2ϕn1(t),ϕn1(t)=ϕn2(t)cn1ϕn1(t),ϕ0(0)=1,ϕ1(0)==ϕn1(0)=0.
etA=ϕ0(t)I+ϕ1(t)A,ϕ0=δϕ1, ϕ1=ϕ0τϕ1, ϕ0(0)=1, ϕ1(0)=0,
etA=eτt2[cosh(Δt2)I+2Δsinh(Δt2)(Aτ2I)],Δ=τ24δ, τ=trA, δ=detA.

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