線性常微分方程組

向量解的基本解組(fundamental set of vector solutions)

想像你要描述一個方程組的每一種可能運動,卻不想把無窮多個一一列出。竅門和用兩支箭頭描述平面上每一點是一樣的:挑幾個精選的積木解,把其餘所有的解寫成它們的組合。這些被選中的積木,就是一組基本解組。

對一個 n 維齊次線性方程組 x' = A(t) x,一組基本解組是 n 個線性獨立的解向量 x_1(t)、…、x_n(t),沒有任何一個是其他幾個的組合。關鍵定理說,這 n 個獨立解就足夠了:方程組的每一個解都能寫成 c1 x_1(t) + … + cn x_n(t),其中 c1、…、cn 是某些常數。所以基本解組是整個解空間的一組基底,而那些常數由初始條件確定下來。獨立性可在任一時刻 t0 用朗斯基行列式來檢驗,也就是以這些解向量為各行的矩陣的行列式;若在該處不為零,這組解就是基本解組。

這正是為什麼一個 n×n 方程組「的通解」恰好是 n 項之和,不多也不少。它呼應了二階情形,其中兩個獨立解張成一切,如今推廣到 n 個未知函數。找到一組基本解組,就等於求解了齊次方程組;對常係數的 A,特徵值方法直接給出一組。

對 x' = [1, 0; 0, -2] x,兩個解 (e^t, 0) 與 (0, e^(-2t)) 是獨立的(它們的朗斯基行列式是 e^t 乘 e^(-2t),永不為零),所以構成一組基本解組。每一個解都是 c1 (e^t, 0) + c2 (0, e^(-2t))。

一個 2×2 方程組的兩個獨立解張成每一個解,正如兩支箭頭張成一個平面。

向量函數的獨立性是在單一點 t0 檢驗的,不必逐點到處檢查;對真正的 ODE 解,朗斯基行列式在某一個 t0 不為零,就保證它對所有 t 都不為零(阿貝爾定理)。

又稱
basis of solutions基本解組