3.9 朗斯基行列式

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定义

  朗斯基行列式Wronskian determinant是用来判断多个函数之间是不是线性相关的。线性相关就是概念比较复杂,通俗地讲,两个向量之间是不是线性相关,就是看它们二者是不是倍数关系,如果是倍数关系,那么两者是线性相关的。对于多个向量,就是说其中一个向量能不能表示为其他向量的线性组合,如果可以,那么是线性相关的,如果不可以,则是线性无关的。
  函数可以看成是函数空间 C [ a , b ] C_{[a,b]} C[a,b]上的向量, [ a , b ] [a,b] [a,b]是定义域。朗斯基行列式是判断多个函数之间的线性相关的,它是由函数的 1 1 1 n − 1 n-1 n1阶导数组成的矩阵的行列式,公式如下:
∣ f 1 ( x ) f 2 ( x ) ⋯ f n ( x ) f 1 ′ ( x ) f 2 ′ ( x ) ⋯ f n ′ ( x ) ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ f 1 ( n − 1 ) ( x ) f 2 ( n − 1 ) ( x ) ⋯ f n ( n − 1 ) ( x ) ∣ \begin{vmatrix} f_1(x) & f_2(x) & \cdots & f_n(x)\\ f'_1(x) & f'_2(x) & \cdots & f'_n(x)\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ f_1^{(n-1)}(x) & f_2^{(n-1)}(x) & \cdots & f_n^{(n-1)}(x)\\ \end{vmatrix} f1(x)f1(x)f1(n1)(x)f2(x)f2(x)f2(n1)(x)fn(x)fn(x)fn(n1)(x)
  朗斯基行列式如果在定义域内存在一个点 x 0 x_0 x0不等于0,则函数组线性无关。但是反过来不一定,也就是说朗斯基行列式为0,推不出函数线性相关。

举例

  来看这三个函数:
2 x 2 + 3 , x 2 , 1 2x^2+3,x^2,1 2x2+3,x2,1
  这三个函数一看就是线性相关的,因为 2 x 2 + 3 2x^2+3 2x2+3就是 x 2 x^2 x2 1 1 1的线性组合,组合系数分别为 2 2 2 3 3 3。他们的朗斯基行列式是什么样子呢?
∣ 2 x 2 + 3 x 2 1 4 x 2 x 0 4 2 0 ∣ = − ∣ 4 x 2 x 4 2 ∣ = 0 \begin{vmatrix} 2x^2+3 & x^2 & 1\\ 4x & 2x & 0\\ 4 & 2& 0\\ \end{vmatrix}=-\begin{vmatrix} 4x & 2x \\ 4 & 2\\ \end{vmatrix}=0 2x2+34x4x22x2100 = 4x42x2 =0
  再看一个例子,这两个函数: x 2 , x ∣ x ∣ x^2,x|x| x2,xx,他们的朗斯基行列式是:
∣ x 2 x ∣ x ∣ 2 x 2 ∣ x ∣ ∣ = = 0 \begin{vmatrix} x^2 & x|x|\\ 2x & 2|x| \\ \end{vmatrix}==0 x22xxx2∣x ==0
  但是很明显,分区间的,在 x ≥ 0 x\ge 0 x0的时候, x 2 = x ∣ x ∣ x^2=x|x| x2=xx,但是当 x ≤ 0 x\le 0 x0的时候 x 2 = − x ∣ x ∣ x^2=-x|x| x2=xx,所以并不是线性相关的。所以从朗斯基行列式为0推不出线性相关。这个例子是不同的区间,线性相关系数不一样,所以不能算线性相关。
  再举个例子, x 2 , x , 1 x^2,x,1 x2,x,1,肉眼看上去是肯定线性无关的,它的朗斯基行列式是什么样子的呢?
∣ x 2 x 1 2 x 1 0 2 0 0 ∣ = 2 \begin{vmatrix} x^2 & x & 1\\ 2x & 1 & 0\\ 2 &0& 0\\ \end{vmatrix}=2 x22x2x10100 =2文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-414252.html

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