《函数矩阵与矩阵微分方程精选课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《函数矩阵与矩阵微分方程精选课件.ppt（46页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第一章第一章 第一节第一节 函数函数关于函数矩阵与矩阵微分方程北京理工大学高数教研室*第一页，本课件共有46页称为函数矩阵，其中所有的元素称为函数矩阵，其中所有的元素都是定义在闭区间都是定义在闭区间 上的实函数。上的实函数。函数矩阵与数字矩阵一样也有加法，数乘，函数矩阵与数字矩阵一样也有加法，数乘，乘法，转置等几种运算，并且运算法则完全乘法，转置等几种运算，并且运算法则完全相同。相同。例：例：已知已知北京理工大学高数教研室*第二页，本课件共有46页计算计算定义：定义：设设 为一个为一个 阶函数矩阵，如果阶函数矩阵，如果存在存在 阶函数矩阵阶函数矩阵 使得对于任何使得对于任何 都有都有那么我们称
2、那么我们称 在区间在区间 是是可逆的可逆的。北京理工大学高数教研室*第三页，本课件共有46页称称 是是 的逆矩阵，一般记为的逆矩阵，一般记为例例：已知已知那么那么 在区间在区间 上是可逆的，其逆为上是可逆的，其逆为北京理工大学高数教研室*第四页，本课件共有46页函数矩阵可逆的充分必要条件函数矩阵可逆的充分必要条件定理定理:阶矩阵阶矩阵 在区间在区间 上可逆的上可逆的充分必要条件是充分必要条件是 在在 上处处不为零，上处处不为零，并且并且其中其中 为矩阵为矩阵 的伴随矩阵。的伴随矩阵。定义：定义：区间区间 上的上的 型矩阵函数不恒等型矩阵函数不恒等于零的子式的最高阶数称为于零的子式的最高阶数称为
3、 的的秩秩。北京理工大学高数教研室*第五页，本课件共有46页特别地，设特别地，设 为区间为区间 上的上的 阶矩阵阶矩阵函数，如果函数，如果 的秩为的秩为 ，则称，则称 一个一个满秩矩阵满秩矩阵。注意：对于阶矩阵函数而言，满秩与可逆不是等注意：对于阶矩阵函数而言，满秩与可逆不是等价的。即：可逆的一定是满秩的，但是满秩的却价的。即：可逆的一定是满秩的，但是满秩的却不一定是可逆的。不一定是可逆的。例例 ：已知已知北京理工大学高数教研室*第六页，本课件共有46页那么那么 。于是。于是 在任何区间在任何区间 上的秩都是上的秩都是2。即。即 是满秩的。但是是满秩的。但是 在在 上是否可逆，完全依赖于上是否
4、可逆，完全依赖于 的取值。当区间的取值。当区间 包含有原点时，包含有原点时，在在 上有零点，从而上有零点，从而 是不可逆的是不可逆的。函数矩阵对纯量的导数和积分函数矩阵对纯量的导数和积分 定义：定义：如果如果 的所有各元素的所有各元素 在在 处有极限，即处有极限，即 北京理工大学高数教研室*第七页，本课件共有46页其中其中 为固定常数。则称为固定常数。则称 在在 处处有有极限极限，且记为，且记为其中其中北京理工大学高数教研室*第八页，本课件共有46页如果如果 的各元素的各元素 在在 处连续，即处连续，即则称则称 在在 处处连续连续，且记为，且记为其中其中北京理工大学高数教研室*第九页，本课件共
5、有46页容易验证下面的等式是成立的：容易验证下面的等式是成立的：设设则则北京理工大学高数教研室*第十页，本课件共有46页定义定义：如果如果 的所有各元素的所有各元素 在点在点 处处(或在区间或在区间 上上)可导，便称此函数矩阵可导，便称此函数矩阵 在点在点 处处(或在区间或在区间 上上)可导可导，并，并且记为且记为北京理工大学高数教研室*第十一页，本课件共有46页北京理工大学高数教研室*第十二页，本课件共有46页函数矩阵的导数运算有下列性质：函数矩阵的导数运算有下列性质：(1)是常数矩阵的充分必要条件是是常数矩阵的充分必要条件是(2)设设(3)均可导，则均可导，则 北京理工大学高数教研室*第十
6、三页，本课件共有46页(3)设设 是是 的纯量函数，的纯量函数，是函数矩是函数矩(4)阵，阵，与与 均可导，则均可导，则(5)特别地，当特别地，当 是常数是常数 时有时有北京理工大学高数教研室*第十四页，本课件共有46页(4)设设 均可导，且均可导，且 与与 是可是可乘的，则乘的，则因为矩阵没有交换律，所以因为矩阵没有交换律，所以北京理工大学高数教研室*第十五页，本课件共有46页(5)如果如果 与与 均可导，则均可导，则(6)设设 为矩阵函数，为矩阵函数，是是 的纯量函数，的纯量函数，与与 均可导，则均可导，则北京理工大学高数教研室*第十六页，本课件共有46页定义：定义：如果函数矩阵如果函数矩
7、阵 的所的所有各元素有各元素 在在 上可积，则称上可积，则称 在在 上上可积可积，且，且北京理工大学高数教研室*第十七页，本课件共有46页函数矩阵的定积分具有如下性质：函数矩阵的定积分具有如下性质：例例1：已知函数矩阵已知函数矩阵试计算试计算北京理工大学高数教研室*第十八页，本课件共有46页证明：证明：北京理工大学高数教研室*第十九页，本课件共有46页由于由于 ，所以，所以下面求下面求 。由伴随矩阵公式可得。由伴随矩阵公式可得 北京理工大学高数教研室*第二十页，本课件共有46页再求再求北京理工大学高数教研室*第二十一页，本课件共有46页例例2：已知函数矩阵已知函数矩阵北京理工大学高数教研室*第
8、二十二页，本课件共有46页试求试求例例3：已知函数矩阵已知函数矩阵试求试求证明：证明：北京理工大学高数教研室*第二十三页，本课件共有46页同样可以求得同样可以求得北京理工大学高数教研室*第二十四页，本课件共有46页例例4：已知函数矩阵已知函数矩阵试计算试计算北京理工大学高数教研室*第二十五页，本课件共有46页函数向量的线性相关性函数向量的线性相关性定义定义：设有定义在区间设有定义在区间 上的上的 个连续的函数个连续的函数向量向量如果存在一组不全为零的常实数如果存在一组不全为零的常实数使得对于所有的使得对于所有的 等式等式成立，我们称，在成立，我们称，在 上上 线性相关线性相关。北京理工大学高数
9、教研室*第二十六页，本课件共有46页否则就说否则就说 线性无关。即如线性无关。即如果只有在果只有在 等式才成立，那么等式才成立，那么就说就说 线性无关。线性无关。定义定义：设设 是是 个定义在个定义在区间区间 上的连续函数向量上的连续函数向量记记北京理工大学高数教研室*第二十七页，本课件共有46页以以 为元素的常数矩阵为元素的常数矩阵称为称为 的的Gram矩阵，矩阵，称为称为Gram行列式行列式。定理定理：定义在区间定义在区间 上的连续函数向量上的连续函数向量 线性无关的充要条件线性无关的充要条件是它的是它的Gram矩阵为满秩矩阵。矩阵为满秩矩阵。北京理工大学高数教研室*第二十八页，本课件共有
10、46页例例：设设则则于是于是 的的Gram矩阵为矩阵为北京理工大学高数教研室*第二十九页，本课件共有46页所以所以故当故当 时，时，在在 上是线性无关的。上是线性无关的。北京理工大学高数教研室*第三十页，本课件共有46页定义：定义：设设 是是 个定义在区间个定义在区间 上的上的 有有 阶导数的函数向量，记阶导数的函数向量，记那么称矩阵那么称矩阵北京理工大学高数教研室*第三十一页，本课件共有46页北京理工大学高数教研室*第三十二页，本课件共有46页是是 的的Wronski矩阵。矩阵。其中其中 分别是分别是 的一阶，二阶，的一阶，二阶，阶导数矩阵。阶导数矩阵。定理：定理：设设 是是 的的Wrons
11、ki矩阵。如果在区间矩阵。如果在区间 上的某个点上的某个点 ，常数矩阵，常数矩阵 的秩等于的秩等于 ，则向，则向量量 在在 上线性无关。上线性无关。北京理工大学高数教研室*第三十三页，本课件共有46页例例：设设则则因为因为 的秩为的秩为2，所以，所以 与与 线性无线性无关。关。北京理工大学高数教研室*第三十四页，本课件共有46页 函数矩阵在微分方程中的应用函数矩阵在微分方程中的应用形如形如北京理工大学高数教研室*第三十五页，本课件共有46页的线性微分方程组在引进函数矩阵与函数向量以的线性微分方程组在引进函数矩阵与函数向量以后可以表示成如下形式后可以表示成如下形式其中其中北京理工大学高数教研室*
12、第三十六页，本课件共有46页北京理工大学高数教研室*第三十七页，本课件共有46页上述方程组的初始条件为上述方程组的初始条件为可以表示成可以表示成定理：定理：设设 是一个是一个 阶常数矩阵，则微分方阶常数矩阵，则微分方程组程组满足初始条件满足初始条件 的解为的解为北京理工大学高数教研室*第三十八页，本课件共有46页定理：定理：设设 是一个是一个 阶常数矩阵，则微分方阶常数矩阵，则微分方程组程组满足初始条件满足初始条件 的解为的解为例例1：设设北京理工大学高数教研室*第三十九页，本课件共有46页求微分方程组求微分方程组 满足初始条满足初始条件件 的解。的解。解：解：首先计算出矩阵函数首先计算出矩阵
13、函数北京理工大学高数教研室*第四十页，本课件共有46页由前面的定理可知微分方程组由前面的定理可知微分方程组满足初始条件满足初始条件 的解为的解为北京理工大学高数教研室*第四十一页，本课件共有46页例例2：设设求微分方程组求微分方程组 满足初始满足初始条件条件 的解。的解。解：解：由上述定理可知满足所给初始条件的微分方由上述定理可知满足所给初始条件的微分方程组解为程组解为北京理工大学高数教研室*第四十二页，本课件共有46页由上面的例题可知由上面的例题可知而而北京理工大学高数教研室*第四十三页，本课件共有46页所以有所以有北京理工大学高数教研室*第四十四页，本课件共有46页故有故有北京理工大学高数教研室*第四十五页，本课件共有46页第一章第一章 第一节第一节 函数函数感谢大家观看10.12.2022第四十六页，本课件共有46页