刘维尔定理 揭示了具有初等 原函数 的初等函数的本质特征。其最早由约瑟夫·刘维尔 于十九世纪三四十年代提出,经后人推广到一般的微分域上[ 1] ,并被进一步推广运用在常微分方程组 初等首次积分 的研究上。[ 2] [ 3]
初等函数的原函数并不总是初等函数,例如
e
−
x
2
{\displaystyle e^{-x^{2}}}
的原函数是误差函数 ,无法用初等函数表达出来。 其它常见的例子还有
sin
(
x
)
/
x
{\displaystyle \sin(x)/x}
,
x
x
{\displaystyle x^{x}}
,
1
/
ln
(
x
)
{\displaystyle 1/\ln(x)}
等。
刘维尔定理指出,一个初等函数如果有初等的原函数,那么一定能写成同一个微分域 的函数加上有限项该域上函数的对数的线性组合,否则即表明不存在初等的原函数。
一个域
F
{\displaystyle F}
(元素是函数)及相应的运算
δ
{\displaystyle \delta }
(对函数的导数)构成的代数结构
(
F
,
δ
)
{\displaystyle (F,\delta )}
称为 微分域 。若对于
∀
f
,
g
∈
F
{\displaystyle \forall f,g\in F}
有
δ
(
f
+
g
)
=
δ
(
f
)
+
δ
(
g
)
,
δ
(
f
g
)
=
δ
(
f
)
g
+
f
δ
(
g
)
{\displaystyle \delta (f+g)=\delta (f)+\delta (g),\quad \delta (fg)=\delta (f)g+f\delta (g)}
由上式可以得到通常导数的一些性质。
δ
(
g
n
)
=
n
g
n
−
1
δ
(
g
)
{\displaystyle \delta (g^{n})=ng^{n-1}\delta (g)}
δ
(
f
g
)
=
δ
(
f
)
g
+
f
δ
(
1
g
)
=
δ
(
f
)
g
−
f
g
2
δ
(
g
)
{\displaystyle \delta ({\frac {f}{g}})={\frac {\delta (f)}{g}}+f\delta ({\frac {1}{g}})={\frac {\delta (f)}{g}}-{\frac {f}{g^{2}}}\delta (g)}
设
(
F
,
δ
)
{\displaystyle (F,\delta )}
为某个微分域,称
C
o
n
(
F
,
δ
)
=
{
f
∈
F
|
δ
f
=
0
}
{\displaystyle \mathrm {Con} (F,\delta )=\{f\in F|\delta f=0\}}
为该微分域的常数域。
设
h
∈
K
{\displaystyle h\in K}
,K 是 F 的微分域扩张
K
=
F
(
h
)
{\displaystyle K=F(h)}
,
h
{\displaystyle h}
称为在
F
{\displaystyle F}
上基本初等,若以下三种情况任一成立:
h
{\displaystyle h}
是
F
{\displaystyle F}
的代数元素。 即存在
F
{\displaystyle F}
中的多项式
p
(
t
)
(
∈
F
[
t
]
)
{\displaystyle p(t)(\in F[t])}
,使得
p
(
h
)
=
0
{\displaystyle p(h)=0}
。 注意此处多项式
p
(
t
)
{\displaystyle p(t)}
的系数本身也是函数,也即
p
(
t
)
=
0
{\displaystyle p(t)=0}
隐式地决定了函数
t
(
x
)
=
h
(
x
)
{\displaystyle t(x)=h(x)}
(选定某个解析分支 )。称这种情况为代数扩张。
h
{\displaystyle h}
是
F
{\displaystyle F}
上的超越 元素,且
δ
h
∈
F
{\displaystyle \delta h\in F}
。可以用对数函数来类比,对于
f
∈
F
{\displaystyle f\in F}
有
δ
(
ln
(
f
)
)
=
δ
(
f
)
/
f
∈
F
{\displaystyle \delta (\ln(f))=\delta (f)/f\in F}
。 称这种情况为对数扩张。
h
{\displaystyle h}
是
F
{\displaystyle F}
上的对数。
h
{\displaystyle h}
是
F
{\displaystyle F}
上的超越元素,且
δ
h
/
h
∈
F
{\displaystyle \delta h/h\in F}
。 可以用指数函数来类比,对于
f
∈
F
{\displaystyle f\in F}
有
δ
(
exp
(
f
)
)
/
exp
(
f
)
=
δ
(
f
)
∈
F
{\displaystyle \delta (\exp(f))/\exp(f)=\delta (f)\in F}
。 称这种情况为指数扩张。
h
{\displaystyle h}
是
F
{\displaystyle F}
上的指数。
微分域的初等扩张 是指接连进行如上的扩张得到的微分域
F
(
h
1
,
.
.
.
,
h
n
)
{\displaystyle F(h_{1},...,h_{n})}
,其中
h
j
{\displaystyle h_{j}}
在
F
(
h
1
,
.
.
.
,
h
j
−
1
)
{\displaystyle F(h_{1},...,h_{j-1})}
上基本初等。
一个函数
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
称为初等函数 若它在微分域
(
C
(
x
)
,
d
/
d
x
)
{\displaystyle (\mathbb {C} (x),\mathrm {d} /\mathrm {d} x)}
(有理函数加普通导数)的某个初等扩张中。
以下为刘维尔第一定理(Theorem of Liouville-first statement)。
设
F
{\displaystyle F}
为微分域,
K
{\displaystyle K}
为
F
{\displaystyle F}
的初等扩张,且
C
o
n
(
K
,
δ
)
=
C
o
n
(
F
,
δ
)
{\displaystyle \mathrm {Con} (K,\delta )=\mathrm {Con} (F,\delta )}
,对于
f
∈
F
{\displaystyle f\in F}
,存在
g
∈
K
{\displaystyle g\in K}
, 使得
δ
g
=
f
{\displaystyle \delta g=f}
,则
[ 4] [ 5]
g
=
c
1
ln
(
u
1
)
+
⋯
+
c
n
ln
(
u
n
)
+
v
.
{\displaystyle g=c_{1}\ln(u_{1})+\dotsb +c_{n}\ln(u_{n})+v.}
其中
c
1
,
.
.
.
,
c
n
∈
C
o
n
(
F
,
δ
)
{\displaystyle c_{1},...,c_{n}\in \mathrm {Con} (F,\delta )}
,
u
1
,
.
.
.
,
u
n
,
v
∈
F
{\displaystyle u_{1},...,u_{n},v\in F}
以下为刘维尔第二定理(Theorem of Liouville-second statement),又称强刘维尔定理(Strong Liouville theorem)。
设
F
{\displaystyle F}
为微分域,
B
=
C
o
n
(
F
,
δ
)
{\displaystyle B=\mathrm {Con} (F,\delta )}
,若
g
{\displaystyle g}
在
F
{\displaystyle F}
上初等,且满足
δ
g
=
f
∈
F
{\displaystyle \delta g=f\in F}
,则
f
=
c
1
δ
u
1
u
1
+
⋯
+
c
n
δ
u
n
u
n
+
δ
v
.
{\displaystyle f=c_{1}{\frac {\delta u_{1}}{u_{1}}}+\dotsb +c_{n}{\frac {\delta u_{n}}{u_{n}}}+\delta v.}
其中
c
1
,
.
.
.
,
c
n
∈
B
¯
{\displaystyle c_{1},...,c_{n}\in {\bar {B}}}
,
v
∈
F
{\displaystyle v\in F}
,
u
1
,
.
.
.
,
u
n
,
v
∈
B
¯
F
{\displaystyle u_{1},...,u_{n},v\in {\bar {B}}F}
,
B
¯
{\displaystyle {\bar {B}}}
是
B
{\displaystyle B}
的代数闭域 .
每个
F
{\displaystyle F}
上
B
¯
F
{\displaystyle {\bar {B}}F}
的自同构 交换求和的顺序。
注:对于通常所说的初等函数 ,
C
o
n
(
K
,
δ
)
=
C
o
n
(
F
,
δ
)
=
C
{\displaystyle \mathrm {Con} (K,\delta )=\mathrm {Con} (F,\delta )=\mathbb {C} }
,若限定常数为实数
C
o
n
(
F
,
δ
)
=
R
{\displaystyle \mathrm {Con} (F,\delta )=\mathbb {R} }
,则会使得许多通常初等的原函数“不初等”。例如下面的例子
1
/
(
x
2
+
1
)
{\displaystyle 1/(x^{2}+1)}
,其原函数包含虚数 。
例如复数域 上的有理函数 域
C
(
x
)
{\displaystyle \mathbb {C} (x)}
与通常的导数 即构成了一个微分域
(
C
(
x
)
,
d
/
d
x
)
{\displaystyle (\mathbb {C} (x),\mathrm {d} /\mathrm {d} x)}
(有理函数的导数仍是有理函数),该微分域的常数集即是复数集
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
。
函数
1
/
x
∈
C
(
x
)
{\displaystyle 1/x\in \mathbb {C} (x)}
的原函数
ln
(
x
)
+
C
{\displaystyle \ln(x)+C}
不属于微分域
(
C
(
x
)
,
d
/
d
x
)
{\displaystyle (\mathbb {C} (x),\mathrm {d} /\mathrm {d} x)}
,但具有如定理所述的对数形式(注意
x
,
C
∈
C
(
x
)
,
1
∈
C
{\displaystyle x,C\in \mathbb {C} (x),1\in \mathbb {C} }
)。
类似的,
1
/
(
x
2
+
1
)
∈
C
(
x
)
{\displaystyle 1/(x^{2}+1)\in \mathbb {C} (x)}
,其原函数反正切函数 可以表达成对数的形式
arctan
(
x
)
+
C
=
−
i
2
ln
1
+
i
x
1
−
i
x
+
C
{\displaystyle \arctan(x)+C=-{\frac {i}{2}}\ln {\frac {1+ix}{1-ix}}+C}
显然也有
C
,
1
+
i
x
1
−
i
x
∈
C
(
x
)
,
−
i
2
∈
C
{\displaystyle C,{\frac {1+ix}{1-ix}}\in \mathbb {C} (x),-{\frac {i}{2}}\in \mathbb {C} }
。
下面考虑
f
(
x
)
=
1
/
(
x
ln
(
x
)
)
{\displaystyle f(x)=1/(x\ln(x))}
的原函数,显然这不属于
C
(
x
)
{\displaystyle \mathbb {C} (x)}
(
ln
(
x
)
{\displaystyle \ln(x)}
是
C
(
x
)
{\displaystyle \mathbb {C} (x)}
上的超越函数 )。把
ln
(
x
)
{\displaystyle \ln(x)}
添加到
C
(
x
)
{\displaystyle \mathbb {C} (x)}
,形成更大的微分域
(
F
,
d
/
d
x
)
,
F
=
C
(
x
)
(
ln
(
x
)
)
{\displaystyle (F,\mathrm {d} /\mathrm {d} x),F=\mathbb {C} (x)(\ln(x))}
(于是
f
∈
F
{\displaystyle f\in F}
)。
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
的一个原函数是
ln
(
ln
(
x
)
)
{\displaystyle \ln(\ln(x))}
,于是我们再次看到,使用包含
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
的微分域
F
{\displaystyle F}
里的函数的对数,表达出了
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
的原函数。
事实上,Risch 1969 年的论文表明,对于任意复杂的初等函数,总可以找到适当的包含
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
的微分域
F
{\displaystyle F}
,以及从
C
(
x
)
{\displaystyle \mathbb {C} (x)}
开始的初等域扩张塔
C
(
x
,
x
1
,
.
.
.
,
x
n
)
=
F
{\displaystyle \mathbb {C} (x,x_{1},...,x_{n})=F}
。并在此扩张塔的基础上,基于刘维尔定理找到其初等原函数,或证明不存在这样的初等原函数(参见 Risch算法 )。[ 5]
设想我们想知道形如
f
(
x
)
e
g
(
x
)
,
f
(
x
)
,
g
(
x
)
∈
C
(
x
)
{\displaystyle f(x)e^{g(x)},f(x),g(x)\in \mathbb {C} (x)}
的函数是否有初等原函数。由刘维尔定理可以得到,这等价于判断是否存在
a
(
x
)
∈
C
(
x
)
{\displaystyle a(x)\in \mathbb {C} (x)}
使得
f
(
x
)
=
a
′
(
x
)
+
a
(
x
)
g
′
(
x
)
.
{\displaystyle f(x)=a'(x)+a(x)g'(x).}
若存在这样的
a
(
x
)
{\displaystyle a(x)}
,那么其原函数即为
a
(
x
)
e
g
(
x
)
{\displaystyle a(x)e^{g(x)}}
。
例如对于
e
x
2
{\displaystyle e^{x^{2}}}
,(即
f
(
x
)
=
1
,
g
(
x
)
=
x
2
{\displaystyle f(x)=1,g(x)=x^{2}}
),应有
1
=
a
′
(
x
)
+
2
x
⋅
a
(
x
)
.
{\displaystyle 1=a'(x)+2x\cdot a(x).}
如果存在这样的
a
(
x
)
{\displaystyle a(x)}
,那么一定可以作部分分式展开 :
a
(
x
)
=
p
(
x
)
+
∑
j
=
1
q
∑
k
=
1
e
j
A
j
k
(
x
−
r
j
)
k
{\displaystyle a(x)=p(x)+\sum _{j=1}^{q}\sum _{k=1}^{e_{j}}{\frac {A_{jk}}{(x-r_{j})^{k}}}}
其中
p
(
x
)
∈
C
[
x
]
{\displaystyle p(x)\in \mathbb {C} [x]}
是
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
上的多项式,
r
j
∈
C
{\displaystyle r_{j}\in \mathbb {C} }
是
a
(
x
)
{\displaystyle a(x)}
分母多项式的根,系数
A
j
k
∈
C
{\displaystyle A_{jk}\in \mathbb {C} }
被唯一确定。
代入前式即可证明这样的
a
(
x
)
{\displaystyle a(x)}
不存在(因为
2
x
⋅
a
(
x
)
{\displaystyle 2x\cdot a(x)}
会增加多项式的次数,故对照左端项应有
p
(
x
)
=
0
{\displaystyle p(x)=0}
,而对
1
/
(
x
−
r
j
)
k
{\displaystyle 1/(x-r_{j})^{k}}
求导会增加分母的次数,对照左端项得到这一部分也应该是 0,这样就得到矛盾 1=0)。从而函数
e
x
2
{\displaystyle e^{x^{2}}}
不存在初等原函数。
借助完全类似的方法,我们可以证明
e
x
/
x
{\displaystyle e^{x}/x}
(对应
1
/
x
=
a
′
+
a
{\displaystyle 1/x=a'+a}
),以及
sin
(
x
)
/
x
{\displaystyle \sin(x)/x}
也不存在初等原函数. 更进一步,对
e
x
/
x
{\displaystyle e^{x}/x}
换元可以得到
e
e
x
{\displaystyle e^{e^{x}}}
或者
1
/
ln
(
x
)
{\displaystyle 1/\ln(x)}
,于是得到后两个函数也是不存在初等原函数的。[ 4]
^ Lützen, J. (1990). Integration in Finite Terms. In Joseph Liouville 1809–1882 (pp. 351-422). Springer New York.
^ Prelle, M. J., & Singer, M. F. (1983). Elementary first integrals of differential equations. Transactions of the American Mathematical Society, 279(1), 215-229.
^ Singer, Michael F. "Liouvillian first integrals of differential equations." Transactions of the American Mathematical Society 333.2 (1992): 673-688.
^ 4.0 4.1 Rosenlicht, M. (1972). Integration in finite terms. American Mathematical Monthly, 963-972.
^ 5.0 5.1 Risch, Robert H. "The problem of integration in finite terms." Transactions of the American Mathematical Society (1969): 167-189.