Faa de Bruno's Theorem

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 因欲直接證明多種函數之爲行列式形者,爲二元形Binary quantic之不變式invariants及共變式covariants,有初簡單定理對於某種行列式極爲有助,即Faa de Bruno's Theorem是也.此定理之最初三類爲:

  |l,ml,m|=lmlm

  |l2lmm22lllm+lm,2mml'2lmm'2|=(lmlm)3

  |l3l2mlm2m33l2l,2llm+l2m,2lmm+lm23m2m3ll'2,l'2m+2llm,lm2+2lmm,3mm'2l'3l'2mlm'2m'2|=(lmlm)6

而此一般定理General Theorem,乃一行列式,其第一列由下列各元素而成

  lr,lr1m,lr2m2,lmr1,mr

而其各列可由第一列繼續的in succession與

ll+mm,112(ll+mm)2,1r!(ll+mm)r,

演算Operating而得之,此行列式爲lmlm之乘寬即12r(r+1)th冪也.

 此又有顯然易見者,卽可同樣的先書下其最末一列:

  l'r,l'r1m,l'r2m'2,lm'r1,m'r

而繼續的向上upwards 由此列與

  ll+mm,112(ll+mm)2,1r!(ll+mm)r

演算而得其餘各列也.因由Taylor's Theorem,在第(s+1)行之元素向下讀之乃

  (l+tl)rs(m+tm)s

之展開t之各冪Various powers之係數;而同樣向上讀之,乃

  (τl+l)rs(τm+m)s

之展開τ之各冪之係數也.

 此兩種形成行列式之方法;謂之第一種寫法及第二種寫法.

 此定理之第一類卽可證明,其第二類之證明:以m/m乘第二列,m2/m'2乘第三列,加之於第一列,卽可得證明之,第三類之證明亦可由同樣之方法易於求之.此一般定理,乃線偏微分方程式Lagrange解法之定理The theory of Lagrange's solution of linear partial differential equations中,一簡易習題,茲將進而討論之.

 由乘積Products微分之普通之規則,可知微分r次行列式之結果,可書爲r個行列式之和,其每行列式由微分原行列式中一列之元素,而遺留其餘各列元素不動而得之.試思此原行列式爲第一種寫法,以ll+mm演算之.此結果乃r個行列式之和,而此等列行式皆消滅爲零Vanish因演算任何列之結果,除最末一列外,皆發生爲其下一列following row之數值之倍數a numerical multiple而最末一列演算之結果爲一列零.於是若D表示此原行列式,則得

  lDl+mDm=0,

故由Lagrange定理僅含有lmlmlm關係之中.

 再試思D爲第二種寫法,以ll+mm演算之,同樣得

  lDl+mDm=0.

D僅含有lmlmlm關係之中.

 是故此行列式D,僅爲lmlm之函數,且爲同次式Homogeneous而必爲lmlm之一單冪single power帶有一可能的數值的因數而成者也.但此數值的因數爲1,例如取l=m=1, l=m=0,則lmlm1,而D爲一主對角線A principal diagonal之1,及其他各元素零而成.

 由是可知Dl,m,l,mr(r+1)次元Dimension,更由此事實而知Dlmlm12r(t+1)th冪矣.

 試證明

  |4ux4,4ux3y,4ux2y24ux3y,4ux2y2,4uxy34ux2y2,4uxy3,4uy4|

爲一個二元形u之一共變式,於特別情形,若u爲四次式quartic,則爲一不變式.以爲本定理之標準應用。

 由上述(lmlm)3M3之行列式,行與行乘此式二次。

 第一次乘法之結果,因

  (lx+ly)2=2X2,(lx+ly)(mx+my)=2XY

  (mx+my)2Y2

  |2X22ux2,2XY2ux2,2Y22ux22X22uxy,2XY2uxy,2Y22uxy2X22uy2,2XY2uy2,2Y22uy2|

 第二次乘法變易其每元素之微分次數,則

  |4uX4,4uX3Y,4uX2Y24uX3Y,4uX2Y2,4uXY34uX2Y2,4uXY34uY4|

 如是上述之事實證明矣

 注意I. 此篇譯自 E. B. Elliott's Algebras of Quantics 中16,17兩節

 注意II. The theory of Lagrange's solution of linear partial differential equations可參考A. R. Forsyth's Differential Euqations之187,189兩節PP.392-394.

 注意III. Faa de Bruno (1825-1888)

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