齊次線性方程中,齊次和線性的含義

2022-07-25 06:39:09 字數 3330 閱讀 6509

線性函式/對映 $f: a \rightarrow b $ 為兩個 [標量/向量] 空間 \(a,b\) 的對應關係,

在微積分,解析幾何等相關領域中,線性函式(function)是乙個一次或者少於一次的多項式,對於單一變數如

\[f_f(x) = lx + m, (\forall x \in r)

\]或多變數的函式,其中 \(l,m\) 為已知定常數,由於其函式影象為非垂直的直線或超平面,通常也被稱作線性函式[1]。

線性對映(map)的結果為標量場,則被稱作線性函式,也即向量空間到標量場的對映,線性對映$f_m: a \rightarrow b $ 應該滿足線性特徵:

齊次性: \(f_m(ka)=kf_m(a)\) ,\(\forall k \in r\)

由於函式也可以表示成兩個空間的對映,因此這兩個線性概念很容易引起混淆,乙個是基於圖形幾何直覺,乙個是基於數學空間理論。作為專業學習,我們不妨全部基於數學的角度,僅將滿足線性特徵的函式/對映稱為 [線性函式/對映],如 \(f_f(x)_\),將 \(f_f(x)_\) 稱為 --仿射函式/對映--。

在歐幾里德幾何中,仿射(affine)變換是一種保留直線和平行性(但不一定是距離和角度)的幾何變換[2]。

如圖,每片葉子都通過仿射變換彼此相連。例如,通過反射、旋轉、縮放和平移的組合,紅葉可以轉換成深藍色葉和任何淺藍色葉。每乙個仿射變換都可以看成是 [乙個線性變換] + [乙個平移],這並不保證原點仍然不變,因此每乙個線性變換都是仿射變換,但是仿射變換不一定是線性變換。

線性方程通常由一組 [不全為0已知係數] 和 [一次或零次的未知變數] 確定,滿足方程解的未知變數組成了乙個解空間,如方程 $eq_1 $ :

\[a_1x_1 + a_2x_2 +...+ a_nx_n + b = 0

\]確定了乙個 [\(n-1\)] 維的解空間[3]

\(eq_1\) 在 euclidean 空間中則確定了乙個 [\(n-1\)] 維的超平面,\(n=2\) 時則對應 euclidean 平面中的一條直線

因此 \(eq_1\) 也被稱為線性方程,在 euclidean 空間中可以改寫為如下通式:

\[a_1f_1 + a_2f_2 +...+ a_nf_n + b = 0 \quad (f_n = x_n| x_n,a_n,b \in r )

\]根據通式,有乙個以未知函式為變數的常微分方程 \(eq_2\) :

\[a_0f + a_1f^ +...+ a_nf^ + b = 0 \quad (f = f(x)| f(x),a_n,b \in f)

\]其中 \(f\) 為關於 \(x\) 函式的空間,關於未知量的每一項都是一次或者零次, \(eq_2\) 被稱為線性常微分方程,即使 \(a_n=a_n(x)\) 不為實常數

線性方程應該滿足兩個特徵:

通常方程 2x+3y=10 也被稱作線性(linear)方程,為了和上述線性特徵區分開來,嚴格來說應該是仿射方程,它的齊次形式 2x+3y=0 才是線性方程。

當 \(b=0\) 時 \(eq_1\) 被稱為齊次線性方程,而對於齊次常微分方程,課本中有兩種常規形式:

[形式一] 不一定是乙個線性方程,ta還可以有非線性形式,如:\(y'-\frac=0\)

[形式二] 則對應乙個齊次線性常微分方程

對於形式一中的例子,兩邊同除 \(x^2\) 得到 \(y^ + \fracy = 1\) ,與形式二明顯衝突,這裡非常不解,齊次有兩個不同的表示形式,難道說齊次是兩個性質?

這裡應該換一種思路來考慮,這兩個形式其實都是乙個齊次性質的表現。

有函式 \(f(x)\) ,對於任意實常數若:

\[f(ax)=a^kf(x)

\]則稱 \(f\) 為 \(k\) 階齊次度的齊次函式。

那麼,到底什麼是齊次方程呢?一般是指簡化後的方程中所有非零項的指數相等,如:

\[x^2+xy+y^2=0

\]這個方程確定了乙個關係式 \(y=f(x)\) ,因此:

\(f(x)\) 不一定為函式,因為可以存在 \((x,y_1)\) 和 \((x,y_2)\) 都滿足這個方程,如齊次方程 \(x^2 - y^2 = 0\)

\[x^2 + xf(x) + f(x)^2 = 0

\]代入 \(\overline x = ax\) 得到:

\[a^2x^2 + axf(\overline x) + f(\overline x)^2 = 0

\]易知當 \(f(ax) = af(x)\) 時,上式滿足。對於常微分方程 \(f(x,y,y^,...,y^n)=0\) ,若[4]:

\[\overline x = a^kx, \quad \overline y = a^ly

\]其中 \(a >0\) 且不等於1,\(k,l\) 為任意固定的實常數,滿足 \(f(\overline x,\overline y,\overline y^,...,\overline y^n)=0\) ,即 \(f\) 確定的 [表示式] \(y=f(x)\) 滿足

\[f(a^kx) = a^lf(x)

\]當 \(k=0,l \neq 0\) 時,即

\[f(x) = a^lf(x)

\]這意味著乙個 \(x\) 對應多個 \(y\) ,這時候 \(f\) 被稱為齊次微分方程。這時候再來看上邊提到的兩種齊次常微分方程形式

\(y'+y^2 = \frac\) 也可以找到一組對應的 \(k=1,l=-1\) ,然後將 \(\overline x ,\overline y\) 代入方程依然滿足,因此 ta 也是齊次微分方程,儘管 ta 不屬於上面的兩種形式

而方程 \(y''-\frac=0\) 非齊次

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