или, выражая при помощи матрицы Ф,
где с – вектор-столбец с элементами с1 , с2 , …, сn . Это соотношение при каждом
есть система n линейных уравнений с неизвестными с1 , с2 , …, сn , имеющая единственное решение для каждого φ(τ). Поэтому det Ф(τ) 0 и, по сделанному выше замечанию, det Ф(t) 0 для каждого . Заметим, что это доказывает линейную независимость векторов-столбцов фундаментальной матрицы для каждого .Наоборот, пусть Ф – матрица-решение уравнения (2.2) и пусть det Ф(t)
0 для каждого . Таким образом, векторы-столбцы матрицы Ф линейно независимы для каждого .Матрица из векторов-столбцов может иметь определитель, тождественно равный нулю на интервале I, даже при линейно независимых векторах.
Например, пусть
для каждого действительного интервала I. Содержание теоремы 2.2 состоит в том, что этого не может случиться для векторов, которые являются решениями системы (ЛО).
Теорема 2.3. Если Ф – фундаментальная матрица для системы (ЛО) и С – (комплексная) постоянная неособая матрица, то ФС также является фундаментальной матрицей системы (ЛО). Каждая фундаментальная матрица системы (ЛО) может быть представлена в такой форме при помощи некоторой неособой матрицы С.
Доказательство. Из (2.1), если Ф – фундаментальная матрица, вытекает, что
,Или
и, следовательно, ФС есть матрица-решение уравнения (2.2). Так как
det (ФС)=( det Ф)( det С)
0,то ФС – фундаментальная матрица.
Наоборот, если Ф1 и Ф2 – две фундаментальные матрицы , то Ф2 = Ф1С, где С – некоторая постоянная неособая матрица. Для доказательства этого положим Ф1-1Ф2 = Ψ(t). Тогда Ф2 = Ф1Ψ. Дифференцируя это равенство, получим, что
. Отсюда и из (2.1) следует, что , или . Поэтому и, следовательно, матрица ψ = С постоянна. Она неособая, так как этим свойством обладают Ф1 и Ф2.Замечания. Если предполагать, что Ф2 – решение, то матрица С может быть особой.
Заметим, что если Ф – фундаментальная матрица системы (ЛО) и С – постоянная неособая матрица, то СФ, вообще говоря, не является фундаментальной матрицей.
Две различные однородные системы не могут иметь одну и ту же фундаментальную матрицу, ибо из уравнения (ЛО) следует, что
Поэтому матрица Ф определяет матрицу А однозначно, хотя обратное утверждение и неверно.Сопряженные системы. Если Ф - фундаментальная матрица для системы (ЛО), то
или, переходя к сопряженным матрицам,
Поэтому
- фундаментальная матрица для сопряженной системы (ЛО) и матричное уравнение . (2.3)Система (2.3) называется сопряженной для системы (ЛО) и матричное уравнение
(2.4)называется сопряженным для уравнения (2.2.). Это соответствие симметрично, ибо (ЛО) и (2.2) сопряжены (2.3) и (2.4) соответственно.
Теорема 2.4. Если Ф - фундаментальная матрица для системы (ЛО), то Ψ есть фундаментальная матрица для сопряженной системы (2.3) в том и только в том случае, когда
(2.5)где С – постоянная неособая матрица.
Доказательство. Если Ф - фундаментальная матрица для системы (ЛО) и Ψ есть фундаментальная матрица системы (2.3), то так как
- фундаментальная матрица частного вида уравнения (2.3),где D – некоторая постоянная неособая матрица (теорема 2.3). Поэтому
и можно принять С = D*.
Наоборот, если Ф - фундаментальная матрица для сопряженной системы (ЛО) и удовлетворяет (2.5), то
или и, следовательно, в силу теоремы 2.3 Ψ - фундаментальная матрица сопряженной системы (2.3).Если А = - А*, то
, будучи фундаментальной матрицей для системы (2.3), является также фундаментальной матрицей для системы (ЛО). Поэтому в силу теоремы 2.3 или (2.6)где С – постоянная неособая матрица. Из уравнения (2.6), в частности, следует, что эвклидова длина каждого вектора-решения системы (ЛО) постоянна.
Понижение порядка однородной системы. Если известно m (0<m<n) линейно зависимых решений системы (ЛО), то можно понизить порядок системы на m единиц, и следовательно, дело сведется к решению линейной системы порядка n-m.
Предположим, что φ1 , φ2 , …, φm - m линейно независимых векторов, которые являются решениями системы (ЛО) на интервале I. Пусть вектор φj имеет компоненты φij (i = 1, …, n). Тогда ранг прямоугольной матрицы с элементами φij (i = 1, …, n; j = 1, …, m) для каждого
равен m, так как ее столбцы линейно независимы. Это означает, что для каждого в этой матрице найдется отличный от нуля определитель порядка m. Выберем некоторое и предположим для определенности, что в точке t0 отличен от нуля определитель матрицы Фm с элементами φij (i = 1, …, m; j = 1, …, m). Тогда в силу непрерывной зависимости определителя от его элементов φij и непрерывности функций φij в окрестности t0 получим, что det Фm(t) 0 для t из некоторого интервала , содержащего t0. Пусть - один из таких интервалов; процесс понижения проведем для . (Идея этого процесса является модификацией метода вариации произвольных постоянных.)Пусть матрица U имеет своими первыми m столбцами векторы φ1 , φ2 , …, φmи своими n-m столбцами – векторы еm+1, …, en, где ej – вектор-столбец со всеми нулевыми элементами, кроме j-го, который равен 1. Очевидно, что U – неособая матрица на
. Сделаем в (ЛО) подстановкуx = Uy. (2.7)
Заметим, что решениям х = φj(j = 1, …, m) при подстановке (2.7) соответствуют решения y = ej (j = 1, …, m). Поэтому подстановку (2.7) можно рассматривать как систему относительно y, которая должна иметь решения ej (j = 1, …, m).
Подставляя (2.7) в систему (ЛО), получаем
или в координатах,
(i = 1, …, m), (i = m+1, …, n).Выражая то обстоятельство, что векторы φj с компонентами φij являются решениями системы (ЛО), получаем
(i = 1, …, n; j = 1, …, m),откуда следует, что
(i = 1, …, m), (i = m+1, …, n). (2.8)Так как det Фm
0, то из первых m уравнений (2.8) можно выразить производные (i = 1, …, m) через φij, aik и yk(k = m+1, …, n), и затем эти значения подставить в остальные формулы (2.8). Мы получим совокупность уравнений первого порядка, которым удовлетворяют функции yi (i = m+1, …, n) вида