الرياضيات · المسرد

ما معنى الفرونسكيان؟

يُعرف أيضًا باسم: جملة أساسية

تعريف 16.6 الرياضيات الجامعية — السنة 2 · الفصل 16 — المعادلات التفاضلية

من أجل حلول X1,,XnX_1, \dots, X_n للجملة المتجانسة، يكون الفرونسكيان هو W(t)=det(X1(t),,Xn(t))W(t) = \det\bigl(X_1(t), \dots, X_n(t)\bigr). وبحسب التشاكل السابق، إما أن ينعدم WW تطابقا (فالعائلة مرتبطة) وإما ألا ينعدم أبدا (جملة أساسية)؛ وكمّيا، لدينا W=tr(A(t))WW' = \operatorname{tr}\bigl(A(t)\bigr) W، ومنه

W(t)=W(t0)exp(t0ttrA(s) ⁣ds)(صيغة ليوفيل).W(t) = W(t_0)\,\exp\Bigl(\int_{t_0}^{t} \operatorname{tr} A(s)\,\dd s\Bigr) \quad \text{(صيغة ليوفيل)}.

أمثلة

مثال 16.7 (التحقق من ليوفيل على معادلة أويلر)

على (0,)\intoo{0}{\infty}، تقبل المعادلة t2y+tyy=0t^2y'' + ty' - y = 0 الحلين y1(t)=ty_1(t) = t وy2(t)=1ty_2(t) = \frac1t (بالتعويض). وفرونسكيانهما:

W(t)=det(t1t11t2)=1t1t=2t,W(t) = \det\begin{pmatrix} t & \tfrac1t\\[2pt] 1 & -\tfrac{1}{t^2}\end{pmatrix} = -\frac1t - \frac1t = -\frac2t ,

لا ينعدم أبدا: فهما جملة أساسية. ولنتحقق الآن من ليوفيل: في الصيغة الموحدة y+1ty1t2y=0y'' + \frac1t\,y' - \frac{1}{t^2}\,y = 0، يكون أثر المصفوفة المرافقة A(t)=(011t21t)A(t) = \begin{pmatrix} 0 & 1\\ \frac{1}{t^2} & -\frac1t\end{pmatrix} هو 1t-\frac1t، ومنه

W(t)=W(1)exp(1t ⁣dss)=2elnt=2t.W(t) = W(1)\exp\Bigl(-\int_1^t\frac{\dd s}{s}\Bigr) = -2\,\eu^{-\ln t} = -\frac2t . \checkmark

والخلاصة: يتنبأ ليوفيل بشكل الفرونسكيان قبل معرفة أي حل — وهنا، بأن WW يجب أن يكون ct\frac{c}{t}؛ وهذا هو ما يشغّل طريقة خفض الرتبة (القضية 16.15)، حيث تحدد معرفة y1y_1 وشكل الفرونسكيان الحل y2y_2 بمكاملة واحدة.

مثال 16.5 (تشاكل التقويم، بصورة ملموسة)

من أجل y+y=0y'' + y = 0، منظورا إليها بوصفها الجملة X=(0110)XX' = \begin{pmatrix} 0 & 1\\ -1 & 0\end{pmatrix}X مع X=(y,y)X = (y, y'): تقول المبرهنة إن فضاء الحلول مستو، وإن XX(0)=(y(0),y(0))X \mapsto X(0) = (y(0), y'(0)) تشاكل تقابلي على R2\R^2. والحلان cos\cos وsin\sin يقوَّمان إلى (1,0)(1, 0) و(0,1)(0, 1) — وهما الأساس القانوني للفضاء R2\R^2 — ومنه فهما يشكلان أساسا لفضاء الحلول، وكل حل يكتب

y(t)=y(0)cost+y(0)sint,y(t) = y(0)\cos t + y'(0)\sin t ,

مع قراءة المعاملين مباشرة من المعطيات الابتدائية، دون أي جملة خطية تُحل. والخلاصة: اختيار الجملة الأساسية التي قيمها الابتدائية هي الأساس القانوني (هنا cos,sin\cos, \sin) هو بالضبط اختيار أعمدة المصفوفة etA\eu^{tA}؛ وتشاكل التقويم هو السبب في أن الشروط الابتدائية توسّم المسارات — وهو المضمون الهندسي “للديناميكا الحتمية” في حالة المعادلات الخطية.

اقرأ في الفصل ←