高階線性方程與微分算子

n×n 朗斯基行列式(n-by-n Wronskian)

/ VRON-skee-an /

假設有人遞給你某個齊次方程的 n 個解,問道:「這些真的獨立嗎,還是其中一個其實是其他的組合?」一旦超過兩個函數,光用眼睛看就毫無希望。朗斯基行列式(Wronskian)是一個單一的數字——由這些函數及其導數算出——只需一次計算就能回答這個問題。在二階它是一個 2×2 行列式;在 n 階它是一個 n×n 的。

它是這樣建構的。把 n 個函數排在第一列,它們的一階導數排在下一列,接著二階導數,一路排到最底列的 (n-1) 階導數,構成一個 n×n 矩陣。朗斯基行列式 W(y1, ..., yn)(x) 就是該矩陣的行列式。判別法:若這些函數是同一個 n 階齊次線性方程在某區間上的解,則它們線性獨立的充要條件,是它們的朗斯基行列式在區間上某處非零——而且有一個漂亮的二分法成立:對這樣的解,朗斯基行列式要嘛在整個區間上恆為零,要嘛在那裡處處不為零。因此非零的朗斯基行列式就證明了一組基本解系:n 個張成整個 n 維解空間的解。

這之所以重要,是因為它把一個困難而抽象的問題(函數的獨立性)轉成一個具體而機械的問題(求一個行列式的值)。它也餵入高階參數變易法的公式,其中朗斯基型的行列式提供了特解的建構基石。一個誠實的提醒:這個乾淨的「要嘛恆零、要嘛處處非零」二分法,是關於同一線性 ODE 之解的定理——對任意函數而言,行列式在某點為零並不能單獨證明它們相依。

對 y''' = 0 的解 1、x、x^2,朗斯基行列式是列為 (1, x, x^2)、(0, 1, 2x)、(0, 0, 2) 的 3×3 矩陣的行列式。它等於 2,處處非零,所以 1、x、x^2 構成一組基本解系。

非零的 n×n 朗斯基行列式,證明 n 個解構成一組獨立的基本解系。

阿貝爾恆等式(Abel's identity)推廣到 n 階,說朗斯基行列式滿足 W' = -p_(n-1)(x) W,故 W = W(x0) exp(-p_(n-1) 的積分);這正是它不會在零與非零之間閃爍的原因。

又称
Wronskian determinantW(y1, ..., yn)高階朗斯基行列式n 階朗斯基行列式