線性常微分方程:高階與方程組

解的線性無關(linear independence of solutions)

如果你已經有了某微分方程的解 e^x,那麼 2 e^x 和 -7 e^x 不會告訴你任何新東西——它們只是被重新縮放。要構建完整的答案,你需要真正指向不同方向的解,使得沒有哪一個藏在其他解裡面。線性無關正是「真正不同」的精確表述。

區間上的解 y_1, ..., y_n 線性無關,是指:使 c_1 y_1 + ... + c_n y_n = 0 對區間內所有 x 成立的常數,只有 c_1 = ... = c_n = 0。若反之存在某個非平凡組合恆為零,則這些函數線性相關,其中之一是其餘者的組合。對線性常微分方程的解,有一條強有力的捷徑:它們無關,當且僅當其朗斯基行列式在區間上某處非零——無需去檢驗無窮多種組合。

為何重要:n 階線性齊次常微分方程的解空間維數恰為 n,因此 n 個線性無關的解構成一組基,每個解都是它們的唯一組合。無關性保證你有足夠多真正不同的構件去滿足任意 n 個初值條件。把相關的解誤當作無關的,會留下一組不足的解,無法滿足任意的初始數據。

e^x 與 e^(2x) 線性無關(二者之間沒有常數比),但 e^x 與 3e^x 相關。而 sin x、cos x 這一對線性無關,構成 y'' + y = 0 解的一組基。

對兩個函數,無關只意味著它們的比值不是常數。

對任意函數,朗斯基行列式為零並不能證明相關;但對同一個線性常微分方程在某區間上的解,朗斯基行列式要麼處處為零(相關)、要麼處處非零(無關)——這種二分法是常微分方程解所特有的。

又稱
linearly independent solutions线性独立线性无关解