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 > 函数组线性相关的必要条件
前面给出了函数组
线性相关和线性无关的概念
接下来我们看一下
线性相关的函数组
它应该满足什么条件 我们先给出
线性相关函数组的必要条件
也就是函数组线性相关
它要满足的必要条件
为了我们来说清楚
它满足的必要条件是什么
我们先引进一个概念
这个概念 就是所谓的函数组的
朗斯基行列式的概念
我们给出朗斯基行列式的定义
也就是说 假设
函数组g1(x) g2(x) 到gn(x)
在区间I上都具有n-1阶的连续导数
那么我用它的函数值做第一行
它们的一阶导数做第二行
它们的n-1阶导数做第n行
就构成了一个n阶行列式
这个n阶行列式我就称为这个函数组
在这个区间上的朗斯基行列式
为了表示简单我们有时候就写成W(x)
表示朗斯基行列式在x这点的值
如果为了说明是
哪一个函数组的朗斯基行列式
可以表示成W g1 g2(到)gn
最后再加一个x
表示的是这个函数组
在x那一点朗斯基行列式的值
从朗斯基行列式的定义 我们知道
对于一个由n个函数构成的函数组
我们实际得到它的朗斯基行列式
是个n阶行列式
n阶行列式当然表示的是一个值
这个值自然就与x有关
也就是说对于区间I中的一个x
我会得到一个值
对区间中的另外一个x
我们会得到另外的值
这个在线性代数里面
学过行列式之后
对这个行列式表示的
是一个与x有关的值
应该是理解起来没有困难的
接下来我们有了
朗斯基行列式的概念之后
我们就可以给出
函数组相线性关的必要条件
关于函数组相关的必要条件
我们写成一个定理
如果函数组g1(x) g2(x) 到gn(x)
在区间I上都是具有n-1阶连续导数
那么这个函数组
线性相关的必要条件就是
它们的朗斯基行列式
在这个区间I上每一点都是等于零的
这是关于这个函数组
线性相关的必要条件的表述
所以说我们就把这个函数组
在一个区间上相关还是不相关表示
成了求一个值是不是等于零的问题
我们给出这个定理的证明
这个证明就根据线性相关的定义
说 因为 这个函数组gk(x) k 从1到n
在这个区间I上是线性相关的
所以 我们存在不全为零的一组数
是c1 c2一直到cn 然后使得
使得c1g1(x)一直加到cngn(x)
它应该是等于零的
只要x在I上取值
然后我们对这个等式
求一阶导、两阶导一直到n-1阶导
这样我们就会得到
c1 g1的一阶导
一直加到cn gn的一阶导
它也应该等于零
最后一个 就是
c1 g1的n-1阶导
一直加到cn gn的n-1阶导
它也要等于零
这样我们就得到了n个方程
而这n个方程的系数矩阵行列式
正好是这个函数组的朗斯基行列式
也就是说写成矩阵形式
这应该就是g1(x)一直到gn(x)
这边应该是g1的n-1阶导(x)
一直到gn的n-1阶导(x)
这边是c1 c2 ... cn
而右端项是一个零向量
那么根据前面我们的描述
实际上就是说
这个n阶线性齐次方程
它应该是有非零解的
有非零解自然意味着
它的系数行列式应该是等于零的
所以说因为c1 c2到cn不全为零
我就推出了
它的系数矩阵的行列式等于零
也就是这个函数组
它的朗斯基行列式应该是恒为零的
这个恒为零指的是
对区间I中的任何一个x来说
它都是等于零的
这样我们就证明了
这个线性相关的必要条件
当然有这个必要条件 我们说
如果我能找到区间上的一个点x0
使得这个朗斯基行列式
在x0这一点的值不等于零
这意味着什么
因为如果函数组相关的时候
它在任何一点的朗斯基行列式
都应该等于零 如果在某一点的
朗斯基行列式不等于零
这意味着它不是相关的
对一个函数组来说
它不是相关的当然就是线性无关的
所以说我们在这里从理论上
得到了一个线性无关的充分条件
也就是说
如果在区间I上存在某一个点
使得这个函数组
在这点的朗斯基行列式是不等于零的
那么这个函数组
在这个区间上就应该是线性无关的
我想这是通过这个相关的必要条件
我们得出来的
另外一个 还需要强调的是
朗斯基行列式等于零
仅仅是它相关的必要条件
就是说朗斯基行列式等于零
它可能是相关的
言外之意
它也有可能是线性无关的
为了说明这一点 我们看两个函数
这两个函数是
一个是f(x)就等于x的4次方
这是在x属于负无穷到0时
再一个等于0
这个是x属于0到正无穷时
这是一个函数
再一个函数是g(x)
它应该等于0
这是x属于负无穷到0时
它等于(x的)4次方
这个是x属于0到正无穷时
那么 这两个函数
它肯定是线性无关的 原因是
如果两个函数它是线性相关的话
那么它的函数值应该是成比例的
也就是说f(x)应该等于c倍的g(x)
这是相关 但是大家看一下
我这两个函数在负无穷到0上
一个是4次方一个是0
而在0到正无穷上
一个是0一个是4次方
它不可能f(x)写成是
一个c倍的g(x)的形式
所以它不会相关 也就是无关
接下来再请大家看一下
它的朗斯基行列式
它的朗斯基行列式就是这样子的
如果我考虑的是负无穷到0的时候
那么 这就是x 4次方 这是0
这是f(x) 这是g(x)
那么这个地方
还是考虑负无穷到0的时候
对应的是4倍的x3次方 这一个是0
所以说朗斯基行列式在负无穷到0上
应该就是这个二阶行列式
这当然是等于零的 类似地
如果我考虑0到正无穷上的时候
它的朗斯基行列式大家可以写出来
在0到正无穷上 f的值是0
g(x)的值是x的4次方
那么 在这个范围上 f的导数是0
g(x)的导数是4倍的x的3次方
它当然还是应该等于零的
我之所以这个地方写成四次方
我是让大家很明确地看出来
这个函数 尽管它是个分段函数
但是在分段点 也就是x等于0时
它导数存在性是没有问题
所以这个应该就符合
这两个函数构成的函数组
它们都具有一阶连续导数
而且它的朗斯基行列式
在任何一点的行列式都等于零
但它是线性无关的
也就是说 我们写的
主要强调的是线性相关的必要条件
必要条件满足只是说可能相关
至于是不是相关
那我们要想其它的办法
-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
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--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
--球坐标系
--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