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数学 すうがく の特 とく に線型 せんけい 代数 だいすう 学 がく におけるロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき (ロンスキーぎょうれつしき、英 えい : Wronski determinant )またはロンスキアン (英 えい : Wronskian )は Józef Hoene-Wronski (1812 ) が導入 どうにゅう した行列 ぎょうれつ 式 しき で、Thomas Muir (1882 , Chapter XVIII) が名 な づけた。微分 びぶん 方程式 ほうていしき の研究 けんきゅう において用 もち いられ、解 かい の集合 しゅうごう が線型 せんけい 独立 どくりつ であることを示 しめ すのに利用 りよう される。
2 つの函数 かんすう f , g のロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき は W (f , g ) = fg' − gf' で与 あた えられる。より一般 いっぱん に、n 個 こ の実 み または複素数 ふくそすう 値 ね 函数 かんすう f 1 , ..., fn が区間 くかん I 上 うえ で n − 1 階 かい まで微分 びぶん 可能 かのう とするとき、それらのロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき W (f 1 , ..., fn ) とは
W
(
f
1
,
…
,
f
n
)
(
x
)
=
|
f
1
(
x
)
f
2
(
x
)
…
f
n
(
x
)
|
=
|
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
)
|
,
x
∈
I
{\displaystyle W(f_{1},\ldots ,f_{n})(x)=\left|{\boldsymbol {f}}_{1}(x){\boldsymbol {f}}_{2}(x)\dots {\boldsymbol {f}}_{n}(x)\right|={\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}},\qquad x\in I}
で定義 ていぎ される I 上 うえ の函数 かんすう を言 い う。ここで fi (j ) (x ) ≔ d j f / dx j (x ) , また f i = (fi (0) ,..., fi (n − 1) )t である。つまり、第 だい 1 行 ぎょう は各 かく 函数 かんすう 、第 だい 2 行 ぎょう はそれらの 1 階 かい 導 しるべ 函数 かんすう 、以下 いか 同様 どうよう に第 だい (n − 1) -階 かい 導 しるべ 函数 かんすう までを並 なら べてできる行列 ぎょうれつ [注 ちゅう 1] の行列 ぎょうれつ 式 しき である。
考 かんが える函数 かんすう 族 ぞく fi が線型 せんけい 微分 びぶん 方程式 ほうていしき の解 かい であるとき、そのロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき はアーベルの恒等 こうとう 式 しき を用 もち いて明示 めいじ 的 てき に求 もと められる[注 ちゅう 2] 。
ロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき と線型 せんけい 独立 どくりつ 性 せい [ 編集 へんしゅう ]
函数 かんすう 族 ぞく fi が線型 せんけい 従属 じゅうぞく ならば、ロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき の列 れつ もそうなるから、微分 びぶん 作用素 さようそ の線型 せんけい 性 せい によってロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき は消 き える[注 ちゅう 3] 。故 ゆえ にロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき は、ロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき が恒等 こうとう 的 てき に消 き えないことを見 み ることによって、可 か 微分 びぶん 函数 かんすう の集合 しゅうごう がある区間 くかん 上 じょう で線型 せんけい 独立 どくりつ であることを示 しめ すのに利用 りよう できる。
よくある間違 まちが いに、至 いた る所 ところ W = 0 なることから線型 せんけい 従属 じゅうぞく 性 せい が従 したが うと考 かんが えることが挙 あ げられるが、Peano (1889) は函数 かんすう x 2 および |x |x が連続 れんぞく な導 しるべ 函数 かんすう を持 も ちロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき が至 いた る所 ところ で消 き えるにもかかわらず、これらが 0 の任意 にんい の近傍 きんぼう において線型 せんけい 従属 じゅうぞく でないことを指摘 してき している。つまり、線型 せんけい 従属 じゅうぞく 性 せい を保証 ほしょう するためにはロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき が区間 くかん 上 じょう で消 き えるだけでは十分 じゅうぶん でなくて,なんらかの追加 ついか の条件 じょうけん が必要 ひつよう である。そのような条件 じょうけん の例 れい はいくつか存在 そんざい する。例 たと えば Peano (1889) では、函数 かんすう が解析 かいせき 的 てき ならばよいことが述 の べられる。また Bochner (1901) には他 ほか にもいくつかの条件 じょうけん が提示 ていじ されていて、例 たと えば n 個 こ の函数 かんすう のロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき が恒等 こうとう 的 てき に消 き えていて、かつそれらの函数 かんすう から n − 1 個 こ を選 えら んでできる n 個 こ のロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき のすべてが同時 どうじ に消 き える点 てん がどこにもなければ、それらの函数 かんすう は線型 せんけい 従属 じゅうぞく である。Wolsson (1989a) はより一般 いっぱん の条件 じょうけん のもとで、ロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき が消 き えることから線型 せんけい 従属 じゅうぞく 性 せい が得 え られることを示 しめ している。
一般 いっぱん 化 か されたロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき [ 編集 へんしゅう ]
n 個 こ の多 た 変数 へんすう 函数 かんすう に対 たい して、一般 いっぱん 化 か されたロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき (generalized Wronskian ) とは、各 かく (i , j ) -成分 せいぶん が Di (fj ) (0 ≤ i < n ) で与 あた えられる n × n 行列 ぎょうれつ の行列 ぎょうれつ 式 しき を言 い う。ただし、各 かく Di は i -階 かい の適当 てきとう な定数 ていすう 係数 けいすう の線型 せんけい 偏 へん 微分 びぶん 作用素 さようそ とする。与 あた えられた函数 かんすう 族 ぞく が線型 せんけい 従属 じゅうぞく ならば一般 いっぱん 化 か ロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき は全 すべ て消 き えるが、一変 いっぺん 数 すう の場合 ばあい と同様 どうよう に逆 ぎゃく は一般 いっぱん には正 ただ しくない(つまり、全 すべ ての一般 いっぱん 化 か ロンスキ行列 ぎょうれつ が消 き えるからと言 い ってそれらの線型 せんけい 従属 じゅうぞく 性 せい は言 い えない)。ただし、多 おお くの特別 とくべつ の場合 ばあい には逆 ぎゃく が成 な り立 た つ。例 たと えば、考 かんが える函数 かんすう 族 ぞく の各 かく 函数 かんすう が多項式 たこうしき で、その全 すべ ての一般 いっぱん 化 か ロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき が消 き えるならば、その函数 かんすう 族 ぞく は線型 せんけい 従属 じゅうぞく である。ロスは一般 いっぱん 化 か ロンスキー行列 ぎょうれつ 式 しき に関 かん するこの結果 けっか をロスの定理 ていり の証明 しょうめい に用 もち いた。逆 ぎゃく が成 な り立 た つより一般 いっぱん の条件 じょうけん については Wolsson (1989b) を見 み よ。
^ 従 したが ってこれは正方 まさかた 行列 ぎょうれつ を成 な す。基本 きほん 行列 ぎょうれつ (fundamental matrix ) と呼 よ ばれることもある。
^ これは函数 かんすう 族 ぞく fi が陽 ひ に分 わ かっていないときでも言 い える。
^ つまり、行列 ぎょうれつ 式 しき が 0 になる。
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Bocher, Maxime (1901), “Certain Cases in Which the Vanishing of the Wronskian is a Sufficient Condition for Linear Dependence” , Transactions of the American Mathematical Society (Providence, R.I.: American Mathematical Society ) 2 (2): 139–149, ISSN 0002-9947 , JSTOR 1986214 , https://jstor.org/stable/1986214
Hartman, Philip (1964), Ordinary differential equations , New York: John Wiley & Sons , ISBN 978-0-89871-510-1 , MR 0171038 , https://books.google.co.jp/books?id=CENAPMUEpfoC&redir_esc=y&hl=ja
Hoene-Wronski, J. (1812), Réfutation de la théorie des fonctions analytiques de Lagrange , Paris
Muir, Thomas (1882), A treatise on the theorie of determinants. , Macmillan, https://archive.org/details/atreatiseontheo00muirgoog
Peano, Giuseppe (1889), “Sur le déterminant wronskien.” (French), Mathesis IX : 75–76, 110–112, JFM 21.0153.01
Rozov, N. Kh. (2001), “Wronskian” , in Hazewinkel, Michiel, Encyclopedia of Mathematics , Springer, ISBN 978-1-55608-010-4 , https://www.encyclopediaofmath.org/index.php?title=Wronskian
Wolsson, Kenneth (1989a), “A condition equivalent to linear dependence for functions with vanishing Wronskian”, Linear Algebra and its Applications 116 : 1–8, doi :10.1016/0024-3795(89)90393-5 , ISSN 0024-3795 , MR 989712
Wolsson, Kenneth (1989b), “Linear dependence of a function set of m variables with vanishing generalized Wronskians”, Linear Algebra and its Applications 117 : 73–80, doi :10.1016/0024-3795(89)90548-X , ISSN 0024-3795 , MR 993032