2025年8月24日星期日

non-homogeneous linear ode

non-homogeneous linear ode

给定线性变换 L:Rn→Rn,以及 f(t):R→Rn,待求 y(t):R→Rn 且 y(0)=y0,
解出满足条件的 y: y′(t)=L(y(t))+f(t)


记 L 所对应的矩阵为 A,令 z(t):=e−tAy(t)

因为

ddt(e−tAy(t))=ddte−tAy(t)+e−tAy′(t),ddtetA=AetA=etAA,

所以

z′(t)=(−Ae−tA)y(t)+e−tA(Ay(t)+f(t))=e−tAf(t).

0→t 积分:

e−tAy(t)−y0=∫0te−sAf(s)ds.

变形,两边同乘 etA:

y(t)=etAy0+∫0te(t−s)Af(s)ds.

现在问题转化为计算 etA 和 ∫0te(t−s)Af(s)ds:

对 A 做 Jordan 分解,A=PJP−1,J=diag(Jλ1,Jλ2,…,JλL)

xλℓ′(t)=Jλℓxλℓ(t)+f~λℓ(t),ℓ=1,…,L,etJ=diag(etJλ1,etJλ2,…,etJλL),etJλℓ=⨁k=1mℓetJλℓ(k),Jλℓ(k)=λℓIrℓ,k+Nℓ,k,(Nℓ,k)rℓ,k=0,etJλℓ(k)=eλℓt(Irℓ,k+tNℓ,k+t22!Nℓ,k2+⋯+trℓ,k−1(rℓ,k−1)!Nℓ,krℓ,k−1),f(t)=eαtq,q~:=P−1q=(q~λ1 | q~λ2 | ⋯ | q~λL)⊤,q~λℓ=(q~λℓ(1); q~λℓ(2); …; q~λℓ(mℓ)),q~λℓ(k)∈Rrℓ,k,∫0te(t−s)Jeαsq~ds=⨁ℓ=1L ∫0te(t−s)Jλℓeαsq~λℓds,∫0te(t−s)Jeαsq~ds=⨁ℓ=1L ∑k=1mℓeαt∑r=0rℓ,k−1Nℓ,krr!Ir(t;λℓ−α)q~λℓ(k),I0(t;c)=ect−1c(c≠0),Ir(t;c)=ecttrc−rcIr−1(t;c)(r≥1, c≠0),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+cn−1λn−1+⋯+c0,χA(A)=0.
etA=∑k=0n−1ϕk(t)Ak,An=−cn−1An−1−⋯−c0I.
{ϕ0′(t)=−c0ϕn−1(t),ϕ1′(t)=ϕ0(t)−c1ϕn−1(t),⋮ϕn−2′(t)=ϕn−3(t)−cn−2ϕn−1(t),ϕn−1′(t)=ϕn−2(t)−cn−1ϕn−1(t),ϕ0(0)=1,ϕ1(0)=⋯=ϕn−1(0)=0.
etA=ϕ0(t)I+ϕ1(t)A,ϕ0′=−δϕ1, ϕ1′=ϕ0−τϕ1, ϕ0(0)=1, ϕ1(0)=0,
etA=eτt2[cosh(Δt2)I+2Δsinh(Δt2)(A−τ2I)],Δ=τ2−4δ, τ=trA, δ=detA.

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