线性常微分方程:高阶与方程组
朗斯基行列式(Wronskian)
/ VRON-skee-an /
假设你有两个候选解,想要一个单一的数来告诉你它们是真正不同、还是只是缩放后偷偷相同。朗斯基行列式正是这个数——由函数及其导数构成的一个行列式——它作为线性微分方程解的无关性检测器而起作用。
对函数 y_1, ..., y_n,朗斯基行列式 W(x) 是这样一个矩阵的行列式:第一行是函数本身,第二行是它们的一阶导数,依此向下直到 (n-1) 阶导数。对两个函数,它就是 W = y_1 y_2' - y_2 y_1'。若 y_1、y_2 是同一个二阶线性常微分方程 y'' + p(x) y' + q(x) y = 0 的解,则阿贝尔恒等式给出 W(x) = W(x_0) exp(-从 x_0 到 x 对 p 的积分)。指数项永不为零,故 W 在区间上要么恒为零、要么永不为零——一个干净的全有或全无检验。
除了检测无关性,朗斯基行列式是参数变易法的引擎:特解公式中要除以 W。它出现在稳定性分析中、在唯一性定理的证明中,以及特殊函数方程的理论中(在那里阿贝尔恒等式把譬如贝塞尔方程的两个无关解联系起来)。它以波兰思想家约瑟夫·赫内-朗斯基命名,是每位应用数学家随身携带的少数几个行列式之一。
对 y_1 = cos x,y_2 = sin x:W = cos x (cos x) - sin x (-sin x) = cos^2 x + sin^2 x = 1,恒不为零,确认它们无关并构成 y'' + y = 0 的一组基。
朗斯基行列式只要在区间内一点非零,便证明线性无关。
对并非同一个线性常微分方程之解的函数,朗斯基行列式恒为零并不蕴含相关——存在教科书反例;那个干净的二分法只对同一方程的解成立。
又称
另见