problem
dtdx=Ax,A=(−51−1−3) ,求其通解,并写出 eAt .
solution
矩阵 A 的特征方程为:
det(A−λI)=−5−λ1−1−3−λ=(λ+4)2=0
解得重特征值:
λ=−4(二重根)
解方程 (A+4I)v=0:
A+4I=(−11−11)
可得线性方程 −v1−v2=0,解为 v1=(1−1)。
解方程 (A+4I)v=v1: 取 v2=(0−1)。
通解形式为:
x(t)=e−4t(C1v1+C2(tv1+v2))
具体展开为:
x(t)=e−4t(C1(1−1)+C2(t(1−1)+(0−1)))
利用幂零矩阵分解:A=−4I+N,其中 N=(−11−11) 满足 N2=0,则:
eAt=e−4t(I+Nt)
具体展开为:
eAt=e−4t(1−tt−t1+t)
problem
dtdx=Ax,A=(11−11) ,求其通解,并写出 eAt .
solution
矩阵 A 的特征方程为:
det(A−λI)=0
代入矩阵 A:
det(1−λ1−11−λ)=(1−λ)2+1
(1−λ)2+1=0⟹(1−λ)2=−1⟹1−λ=±i
因此,特征值为:
λ1=1+i,λ2=1−i
观察矩阵 A 可分解为:
A=I+J,其中I=(1001), J=(01−10)
I 与 J 可交换,且 J2=−I。
利用 J 的幂级数展开:
eJt=cost⋅I+sint⋅J=(costsint−sintcost)
由于 A=I+J 且 I 与 J 可交换:
eAt=eIt⋅eJt=et⋅(costsint−sintcost)
通解为:
x(t)=eAtC=et(costsint−sintcost)(C1C2)
分量为:
{x1(t)=et(C1cost−C2sint)x2(t)=et(C1sint+C2cost)
通解:
x(t)=et(C1cost−C2sintC1sint+C2cost),C1,C2∈R
矩阵指数:
eAt=et(costsint−sintcost)
problem
dtdx=Ax,A=1−11−210−11−1 ,求其通解,并写出 eAt .
solution
矩阵 A 的特征方程为:
det(A−λI)=0
解得特征值:
λ1=0,λ2=2,λ3=−1
解方程 (A−0I)v=0,得特征向量:
v1=101
解方程 (A−2I)v=0,得特征向量:
v2=3−21
解方程 (A+I)v=0,得特征向量:
v3=01−2
由于矩阵 A 有三个不同的实特征值,通解为:
x(t)=C1e0⋅tv1+C2e2tv2+C3e−tv3
即:
x(t)=C1101+C2e2t3−21+C3e−t01−2
构造可逆矩阵 P 和对角矩阵 D:
P=1013−2101−2,D=00002000−1
矩阵指数为:
eAt=PeDtP−1
其中:
eDt=1000e2t000e−t
通过矩阵乘法计算 eAt,结果为:
eAt=613+3e2t−2e2t+2e−t3+e2t−4e−t6−6e2t4e2t+2e−t6−2e2t−4e−t3−3e2t2e2t−2e−t3−e2t+4e−t
problem
dtdx=Ax,A=−1011−1000−4 ,求其通解,并写出 eAt .
solution
有特征值 λ1=−4,λ2=λ3=−1, 特征向量 v=(0,0,1)′。
解 (A−λ2I)x=0,有 v20=301,v30=130。
v21=(A−λ2I)2v20=000,v31=(A−λ2I)2v30=301
故:
Φ(t)=00e−4t3e−t0e−t(1+3t)e−t3e−tte−t
因此:
Φ−1(0)=−3131091−9131100
矩阵指数:
eAt=Φ(t)Φ−1(0)=e−t03e−t−e−4tte−te−t3te−t−9e−t−e−4t00e−4t
通解:
x(t)=C1e−t301+C2e−t3t+13t+C3e−4t001
problem
dtdx=Ax,A=22−1−1−11−1−22 ,求其通解,并写出 eAt .
solution
有特征值 λ1=λ2=λ3=1。
解 (A−λ1)x=0,有:
v10=100,v20=010,v30=001
故:
v11=(A−λ1)v10=12−1
v12=(A−λ1)2v10=000
v21=(A−λ1)v20=−1−21
v22=(A−λ1)2v20=000
v31=(A−λ1)v30=−1−21
v32=(A−λ1)2v30=000
则:
Φ(t)=et1+t2t−t−t1−2tt−t−2t1+t
矩阵指数:
eAt=Φ(t)Φ−1(0)=et1+t2t−t−t1−2tt−t−2t1+t
通解:
x(t)=eAtc