设齐次线性微分方程组x0=A(t)x x∈Rn A(t)在t∈R连续 证明零解稳定的充要条件是它的一个基解矩阵有界。

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设齐次线性微分方程组x0=A(t)x,x∈Rn,A(t)在t∈R连续,证明零解稳定的充要条件是它的一个基解矩阵有界。

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答案解析

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  • 设X(t)为齐次线性微分方程组的一个基解矩阵,于是满足初值条件x(t0)=x0的解
       x(t,t0,x0)=X(t)X-1(t0)x0
       充分性  设基解矩阵有界,即‖X(t)X-1(t0)‖≤M(t0)(M(t0)与t0有关的正数)。于是latex.action?latex=XGZvcmFsbCBcdmFyZXBzaWxvbiDvvJ4w,t≥t0取latex.action?latex=XGRlbHRhIChcdmFyZXBzaWxvbiAsdF97MH0pPVxmcmFje1x2YXJlcHNpbG9uIH17TSh0X3swfSl9%0D%0A,当‖x0‖<δ时,有
       ‖x(t,t0,x0)‖≤‖X(t)X-1(t0)‖ ‖x0‖<ε
        即零解稳定。
       必要性  由零解的稳定可知对ε>0,latex.action?latex=XGV4aXN0cyBcZGVsdGEgKFx2YXJlcHNpbG9uICx0X3swfSnvvJ4w,当‖x0‖<δ时,有‖x(t,t0,x0)‖<ε
       取 latex.action?latex=eF97MDF9PVxmcmFje1xkZWx0YSB9ezJ9KDEsMCxcY2RvdHMwKV57VH0%3D,latex.action?latex=eF97MDJ9PVxmcmFje1xkZWx0YSB9ezJ9KDAsMSwwLFxjZG90czApXntUfQ%3D%3D,latex.action?latex=eF97MG59PVxmcmFje1xkZWx0YSB9ezJ9KDAsXGNkb3RzLDAsMSlee1R9
       那么以x01…,x0n为初值的n个解x(t,t0,x01),x(t,t0,x02),…,x(t,t0,x0n)是线性无关的。(由于这n个解的wronski行列式在t0处的值latex.action?latex=Vz0odF97MH0pPVxsZWZ0KCBcZnJhY3tcZGVsdGEgfXsyfSBccmlnaHQpXntufVxuZXEw,从而以这n个解为列的矩阵X(t)=(x(t,t0,x01),…,x(t,t0,x0n))为原线性方程组的一个基解矩阵。
       又由于latex.action?latex=4oCWeF97MGt94oCWPVxmcmFje1xkZWx0YSB9ezJ977ycXGRlbHRhIA%3D%3D,所以‖x(t,t0,x0k)‖<ε,其中后=1,2,…,n。即X(t)的每一列均有界,从而矩阵X(t)有界。