線性常微分方程組

方程組的解空間(solution space of a system)

齊次線性方程組的每一個解,都只是同一台機器的一種運動,只是從不同的狀態啟動。把所有這些運動蒐集進一個集合,你會得到一個藏著美妙結構的東西:不是一團雜亂,而是一個向量空間,帶有你能數得出來的確定維數。

考慮 n 個未知函數的齊次方程組 x' = A(t) x,在 A 連續的某個區間上。它的解集在相加與縮放下封閉:兩個解相加得到一個解;一個解乘以常數得到一個解;零函數在其中。這些正是向量空間的公理,只不過是一個函數的空間,而非點的空間。維數定理接著說,這個空間恰好是 n 維的。理由是一個乾淨的對應:由存在唯一性,每個解都由它在某一時刻的值 x(t0) 所決定,而那個值可以是 n 維空間中的任意向量,所以解與 R^n 一一對應,而 R^n 的維數是 n。一組基本解組,正是這個空間的一組基底。

知道維數是 n,正是保證你已經找齊一切的依據。一旦你做出 n 個獨立解,就可以停手了,沒有意外的額外解藏著,因為這個空間不會比 n 更大。這是線性方程組每一種解法背後的結構骨幹,也是為什麼「通解」是一個有限的組合,而非某種無止盡的東西。

一個 3×3 的齊次方程組有一個 3 維的解空間。找到三個獨立解 x_1、x_2、x_3 就完成了:每一個解都是 c1 x_1 + c2 x_2 + c3 x_3,而這三個常數由 x(t0) 的三個分量確定。

維數為 n 意味著 n 個獨立解張成一切,而數到 n 就告訴你何時可以停手。

維數等於 n 只對齊次方程組成立。非齊次方程組 x' = A x + g 的解集不是向量空間(它沒有零解),而是齊次空間被一個特解仿射平移後的結果。

又称
space of solutions解空間