線性常微分方程:高階與方程組
朗斯基行列式(Wronskian)
/ VRON-skee-an /
假設你有兩個候選解,想要一個單一的數來告訴你它們是真正不同、還是只是縮放後偷偷相同。朗斯基行列式正是這個數——由函數及其導數構成的一個行列式——它作為線性微分方程解的無關性檢測器而起作用。
對函數 y_1, ..., y_n,朗斯基行列式 W(x) 是這樣一個矩陣的行列式:第一行是函數本身,第二行是它們的一階導數,依此向下直到 (n-1) 階導數。對兩個函數,它就是 W = y_1 y_2' - y_2 y_1'。若 y_1、y_2 是同一個二階線性常微分方程 y'' + p(x) y' + q(x) y = 0 的解,則阿貝爾恆等式給出 W(x) = W(x_0) exp(-從 x_0 到 x 對 p 的積分)。指數項永不為零,故 W 在區間上要麼恆為零、要麼永不為零——一個乾淨的全有或全無檢驗。
除了檢測無關性,朗斯基行列式是參數變易法的引擎:特解公式中要除以 W。它出現在穩定性分析中、在唯一性定理的證明中,以及特殊函數方程的理論中(在那裡阿貝爾恆等式把譬如貝塞爾方程的兩個無關解聯繫起來)。它以波蘭思想家約瑟夫·赫內-朗斯基命名,是每位應用數學家隨身攜帶的少數幾個行列式之一。
對 y_1 = cos x,y_2 = sin x:W = cos x (cos x) - sin x (-sin x) = cos^2 x + sin^2 x = 1,恆不為零,確認它們無關並構成 y'' + y = 0 的一組基。
朗斯基行列式只要在區間內一點非零,便證明線性無關。
對並非同一個線性常微分方程之解的函數,朗斯基行列式恆為零並不蘊含相關——存在教科書反例;那個乾淨的二分法只對同一方程的解成立。
又稱
另見