当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第五章 常微分方程 > 第三节 高阶线性微分方程解的结构 > 函数组线性相关(无关)的概念
通过前面的介绍 我们知道
线性齐次微分方程 它的解集合
实际上是一个线性空间
关于线性空间 我们了解
如果想要把线性空间表示清楚
我们首先要知道
线性空间是几维线性空间
是有限维还是无穷维
如果 讨论清楚了它的维数之后
我要想把线性空间中的每一个元素
都表述清楚
我们应该找这个线性空间的一组基
那为了讨论齐次方程组
解集合这个线性空间
我们引进一个新的概念
这就是所谓的函数组的
线性相关和线性无关的概念
我们在学习线性代数课程的时候
我们知道所谓一个向量组
线性相关 线性无关指的是什么
也就是说 假设
α1 α2一直到αs是一个向量组
对这个向量组 如果我们
能找到一组不全为零的常数
k1 k2一直到ks
使得它的线性组合是一个零向量
那么我们就说
α1 α2(一直到)αs这个向量组
是线性相关的
如果说这个向量组的
一个线性组合是零向量的时候
我一定能推出
这些组合系数必须全为零
那就是说这个向量组是线性无关的
我们在这个地方看函数组的
线性相关和线性无关 从概念上讲
跟向量组的相关和线性无关
是非常类似的
我们给出函数组相关无关的定义
我们假设函数组g1(x) g2(x)到gn(x)
在区间I上有定义
也就是定义在区间I上
如果存在一组不全为零的常数
c1 c2 到cn
使得c1乘上g1(x)
加上c2乘上g2(x)
一直加到cn乘上gn(x)
在这个区间I上是总等于零的
我们就说这个函数组
在这个区间I上是线性相关的
否则 我们就称这个函数组
在这个区间I上是线性无关的
在这个定义里面
我们所谓的相关请大家注意
它一定要谈一个函数组
在什么范围内相关
因为作为函数来说 实际上
它一定是有一个自变量取值的范围
是我们要讨论的这个范围
所以说要注意一下 这个相关是说
在某一个区间I上是线性相关的
所谓的否则就线性无关
指的就是说 如果你找到这组函数
一个线性组合
在这个区间I上是恒为零的
如果在这个条件下 我们能推出
它的组合系数必须同时为零
那就说它是线性无关的
为了进一步理解这个概念
我们举一个具体的例子
比如说 我们来考虑这个函数
就是说g1(x)就等于e的λ1 x次方
g2(x)就等于e的λ2 x次方
一直到 gn(x)就等于e的λn x次方
当然它是指数函数
所以说它的定义域
是负无穷到正无穷
现在我们要做这件事情
我们证明一个结论
证明当这个λ1 λ2 到λn
互不相等时 或者是互不相同时
这个函数组gk(x)
它从1到n在任意区间I上
都是线性无关的 证明这个结论
我们怎么证明它线性无关
实际上跟证明向量组
线性无关的基本想法是一样的
也就是说我们假设
存在一组常数ck k从1到n
然后使得c1 我直接写
这个g1(x)就是e的 λ1 x次方
再加上c2 e的 λ2 x次方
再加 一直加到
cn e的λn倍的 x次方
我假设它在这上面是恒等于零的
那么这个我理解成是一个函数
右边也理解成一个函数
它不过就是函数值总等于零
那么对这个等式我们两端求导
它还是对的 求导我们就得到了
c1λ1 e的 λ1倍的x次方
加上 c2λ2 e的 λ2倍的x次方
一直加 加到
cnλn e的 λn倍的x次方
它应该等于零 当然大家一看
我再求导 它应该还是成立的
所以这样 我求二阶导
一直求导n-1阶导
我就把n-1阶导给写出来 也就是
c1λ1的n-1次方e的λ1倍的x次方
加上c2λ2的n-1次方e的λ2 x次方
再加 加到
cnλn的n-1次方 e的λn x次方
等于零
那大家看一下
这里面实际上就是有n个方程
从原来这个函数的线性组合等于零
然后我给它求了一阶导、二阶导
一直到n-1阶导
在这里面 我们可以把
c1乘上e的λ1 x次方作为一个未知量
类似地 这些都是作为未知量
如果这样子的时候
我们用矩阵形式给它写出来
那么这个方程组它的系数矩阵
应该是这样子的
系数矩阵是 第一行都是1
第二行是λ1 λ2 到λn
当然 第三行 应该就是
λ1的平方 λ2的平方
(到)λn的平方
最后一行应该是
λ1的n-1次方 λ2的n-1方
(到) λn的n-1方
这边应该就是
c1 e的λ1 x次方
一直到cn e的λn x次方
当然右边是零
这个正好是咱们在线性代数里面
非常熟悉的一个n个未知量
n个方程的 线性齐次方程组
那么现在我们来看看
它那个系数矩阵 它的行列式
应该是咱们熟悉的一个特殊行列式
叫所谓的范德蒙行列式
也就是说这个系数矩阵行列式的值
我要使用A来表示它系数矩阵的时候
它行列式的值应该是等于
这个东西连乘的
就是1小于等于j小于i小于等于n
这边应该是λi减掉λj
它要乘起来
我们的条件是说 λ1到λn互不相同
互不相同也就是在这个乘积里面
所有的因子都不等于零
这说明这个系数矩阵的行列式
是不等于零的
不等于零对齐次方程组来说
那么它就只有零解
只有零解大家看
这个指数部分是不可能等于零的
这也就意味着
这个c1 c2 到cn必须都为零
所以 我们就证明了我们要的结论
说 λ1到λn互不相同时
如果它的一个线性组合是等于零的
那么组合系数必须同时为零
这就符合了
它在这个区间上线性无关的定义
所以说这是一个在任意一个区间上
都是线性无关的函数组
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
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--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
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--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
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--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
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--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题