線性常微分方程組

向量解的朗斯基行列式(Wronskian of vector solutions)

/ VRON-skee-an /

你有好幾個候選解,需要一個是或否的判準:它們是真正獨立的,還是其中某一個偷偷是其他幾個的組合?一個在任何方便時刻算出的數,就能回答。這個數就是朗斯基行列式。

把 x' = A(t) x 的 n 個解向量 x_1(t)、…、x_n(t) 豎起來當作一個 n×n 矩陣的各行,這正是基本矩陣的候選 Psi(t)。朗斯基行列式就是它的行列式:W(t) = det Psi(t)。如果在某個時刻 t0,W(t0) 不為零,則各行在該處線性獨立,於是這些解構成一組基本解組;如果 W(t0) = 0,它們就是相依的,無法張成解空間。讓這個判準變得輕鬆的是阿貝爾(劉維爾)定理:W(t) = W(t0) exp(從 t0 到 t 對 trace A(s) ds 積分)。因為指數永不為零,W 要麼對所有 t 都不為零,要麼對所有 t 都為零,你永遠只需檢查一個點。

這是二階朗斯基行列式的方程組版本,把兩個未知函數換成 n 個,把兩列的行列式換成 n×n 的。這種全有或全無的二分法是線性 ODE 的解所特有的,對任意的向量函數,朗斯基行列式在某一點為零什麼也說明不了。它在這裡之所以管用,只因為這些向量被約束去滿足同一條微分方程。

對某個 2×2 方程組的解 (e^t, e^t) 與 (e^(3t), -e^(3t)),W(t) = det [e^t, e^(3t); e^t, -e^(3t)] = -e^t e^(3t) - e^t e^(3t) = -2 e^(4t)。永不為零,所以這一對是一組基本解組。

只需算一次行列式;根據阿貝爾定理,它永不為零的狀態對每個 t 都成立。

注意:全有或全無的法則只適用於滿足同一條線性方程組的向量。兩個無關的向量函數,其朗斯基行列式可能在某些點為零、在另一些點不為零。

又稱
Wronskian determinant朗斯基行列式