線性常微分方程:高階與方程組

基本解組(fundamental set of solutions)

齊次線性常微分方程擁有的不是一個解,而是一整個解的空間;如同任何向量空間,那個空間有一組基——一個最小的集合,從中可經組合得到每一個成員。基本解組正是這組基。一次找到它,你便等於同時找到了所有的解。

確切地說,對區間上的 n 階線性齊次常微分方程,基本解組是任意 n 個線性無關的解 y_1, ..., y_n 所組成的集合(等價地,n 個朗斯基行列式非零的解)。存在唯一性定理保證這樣的集合存在。一旦有了它,通解就是 y = c_1 y_1 + ... + c_n y_n,而這 n 個常數可被選定以匹配任意給定的初值條件——這正是該集合「完備」而不僅僅「無關」的含義。

基本解組是每個線性常微分方程問題前半段的目標:由特徵方程你讀出 n 個無關解(指數、多項式乘指數、正弦與餘弦),把它們拼成齊次解,再加上一個特解。同樣的想法可推廣:在斯圖姆–劉維爾理論中,本徵函數扮演展開的基本解組角色;而對方程組,基解矩陣的各列是其向量類比。

對 y'' - 3y' + 2y = 0,特徵根為 1 與 2,故 { e^x, e^(2x) } 是一組基本解,通解為 y = c_1 e^x + c_2 e^(2x)。

兩個無關解張成二階齊次線性常微分方程的所有解。

n 階恰需 n 個解——不多不少。n+1 個「解」必然相關;少於 n 個則無法滿足全部初值條件。基本解組並不唯一:任意無關的重新組合都是另一組有效的基本解。

又稱
fundamental systembasis of solutions解空间的基基础解系