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关于高阶线性微分方程的一般解法
林文业
湛江公路工程大队 邮编:52400 电话0668-8322239
(本文曾于2000年在《湛江师范学报.增刊》发表)
摘要: 对于一般的高阶线性微分方程,本文建立起其解法基本理论,并在此基础上求出了它的通解,从而肯定了一般高阶线性微分方程在它的定义域上可解,并具有解的一般形式.
关键词: 高阶线性微分方程; 解法定理; 一般解法
简单规定
本文所考虑的数都是实数, 所考虑的函数都是实函数,m、n、k为自然数.在不改变多重积分函数性质的情况下,作出如下简记:
n重 n重
以下“…”号均表示n重
二.预备定理及推论
预备定理1: 若函数与在区间上连续,且对任意,都有,则
预备定理2: 若函数在区间上可积,则函数在上也可积,且
预备定理3: 若函数与在区间上连续,且,,则
推论: 若,,则
证明: 当,或时,不等式显然是成立的.现在考虑,的情形.
当时,
即 (2.1)
当时,由预备定理1同理得
(2.2)
一般地假设当时,有
(2.3)
由预备定理1同理得
(2.4)
由开始考虑的情况及(2.1) 、(2.2) 、(2.3)、 (2.4),根据数学归纳法,得对一切n为自然数都有
证毕
解法基本定理
定理1: 若函数在区间上连续,且在上有连续的n-1阶导数,那么函数项级数
(3.1)
(3.2)
分别在区间、上一致收敛.
证明: 首先证明(3.1).由于在区间上连续,所以
(3.3)
又由于在上有连续的n-1阶导数, 所以
(3.4)
假设且,则
(3.5)
由预备定理3及(3.3),得
由预备定理2,得
由(3.5),得
由推论,得 (3.6)
由于在上有连续的n阶导数,因而下面等式成立
由预备定理3及(3.3),得
由预备定理2,得
由(3.6),得
由推论,得
由于, 所以,
因而 (3.7)
一般地假设在上有连续的n阶导数,且
(3.8)
那么同理可得 (3.9)
由(3.6)、(3.7)、(3.8)、(3.9),根据数学归纳法,得对一切m为自然数都有
显然函数项级数
为正项级数。
由于, 所以上式又为正项收敛级数。由〈维尔斯特拉斯(Weierstrass)判别法〉,可知函数项级数 ()在上一致收敛,当时,在上一致收敛。对于函数项级数
()
只要在上述证明中,把和互换,并考虑到,就可以逐字逐句地重复上述证明,同样可得级数(3.2)在上一致收敛,当时,在上一致收敛。因而定理1得证。
定理2: 若函数在区间上连续, 、、…、在上线性无关,且在上都有连续的n-1阶导数,那么下列函数
… …
在上线性无关,当时,在上线性无关。
证明: 由于、、…、在上线性无关, 所以
又由于
…………………………………………………………………………………………
所以
因而、、…、在上线性无关。原定理得证。
四. 一般解法
对一般的n阶线性微分方程
(4.1)
其中及在上连续。
先考虑对应的n阶齐次线性情形。
(4.2)
把(4.2)写成积分形式
并由此建立起积分项迭代格式 (4.3)
考虑一个级数
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