數學 · 常微分方程 · 18

Clairaut 方程與奇解Clairaut equations and singular solutions

把任意常數換成一個會變的斜率之前,先問:它畫出的包絡,真的滿足原方程嗎?

Clairaut 方程的直線解很容易找到。真正需要小心的是微分後的另一個因子:它可能給出一條直線族裡沒有的解,也可能退化成一個點。

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一族直線,貼著同一條拋物線

拖動 c 看切點移動,再比較一段包絡與兩側切線組成的 C¹ 解。方程為 y=xp−p²,p=y′。

選定的解(綠色實線)包絡(金色虛線)/直線族(淡藍線)
y=cx−c² 是直線解族;y=x²/4 是另一條解,與 c 那條直線在 (2c,c²) 相切。沿切點接合的分段函數可保留連續導數。
兩軸的畫面比例可能不同;讀斜率請比較座標變化。顯示範圍有限,離開畫面不等於解終止。
切點/包絡區間
斜率/接點

當 x 前面的係數就是斜率

這種方程有個特點:x 前面乘的就是斜率本身。先猜「斜率固定」,馬上得到一整族直線。

先熟悉多個斜率分支與鏈鎖律。Clairaut 方程寫成

y = xp + f(p),p = y′

函數 f 是題目給定的,p 則沿解而變。先猜 p=c 為常數,便得到 y=cx+f(c)。其導數恰好為 c,代入原式成立,所以每個允許的 c 都給出一條直線。這是一族解;目前沒有理由說它包含全部解。

本頁集中看 f(p)=−p²,即 y=xp−p²。對原方程,我們要求解是 C¹(函數及一階導數連續)。下面為了微分 p,暫時在 C² 的光滑段落推導;找出的候選與接點會再逐一代回,不把額外的二階可微性誤當原題要求。

微分後的零乘積,兩個因子都要看

微分之後會得到「兩個東西相乘等於 0」。這代表兩種可能,不能只挑一個看。

  1. 先完整使用乘積律和鏈鎖律

    y′ = p + xp′ + f′(p)p′
    p = p + [x+f′(p)]p′

    左側 y′ 就是 p,因此兩側的 p 抵消。

  2. 保留零乘積

    [x+f′(p)]p′ = 0

    不能直接除以 p′ 或另一個因子,因為兩者任一為零都可能產生解。

  3. p′=0 的段落

    p=c ⇒ y=cx+f(c)

    積分 p=c 得到的截距不是額外自由常數;代回原式會強制它等於 f(c)。

  4. 另一個因子為零

    x = −f′(p)
    y = f(p)−pf′(p)

    把 x 代回原式,得到參數曲線候選。它是否是 y(x),以及實際斜率是否等於 p,還沒檢查。

零乘積不代表在整個解區間永遠是同一個因子為零。這正是稍後能以切點拼接的入口。也不能只解微分後的式子就收工:微分可能丟失原式對截距的限制。

主例:找出直線族漏掉的那條曲線

直線族之外,還有一條曲線也滿足方程。它不屬於那一族,所以叫奇解。

代入 f(p)=−p²,零乘積變為 (x−2p)p′=0。常斜率給出 y=cx−c²;另一條候選則由 x=2p 得到 p=x/2,再代回:

y = x(x/2) − (x/2)² = x²/4

現在用這個 y 自己算導數,而不是只把參數叫作導數:

y′ = x/2
xy′ − (y′)² = x²/2 − x²/4 = x²/4 = y

所以它在全實軸都是解;它的斜率隨 x 改變,不可能由某一個固定常數 c 的直線得到。本例稱這條額外的曲線為奇解。這裡的「奇」指它不屬於那個常數參數直線族,不表示它有尖角、發散或在每一點不可微。

同時它也是直線族的包絡:隨 c 改變,每一條直線都在 (2c,c²) 與它相切。兩者不只值相等,導數也同為 c。還能直接看出它們的相對位置:

x²/4 − (cx−c²) = (x−2c)²/4 ≥ 0

拋物線在所有直線上方,差距在 x=2c 變成零。圖中的移動切點是這個恆等式的具體呈現,並不是靠視覺猜出相切。

包絡候選,什麼時候能當成解?

包絡是那條被所有直線貼著的曲線。它能不能算解,要用原方程驗算,不能只看圖。

對一般直線族 L(x,c)=cx+f(c),找相鄰直線聚合的候選位置會聯立 y=L(x,c) 與 ∂L/∂c=x+f′(c)=0,正好得到剛才的參數式。但幾何消去參數的結果,不一定是某個開區間上的可微函數。

假設 f 是 C²。在 x(p)=−f′(p)、y(p)=f(p)−pf′(p) 上,直接微分:

dx/dp = −f″(p)
dy/dp = −p f″(p)

若 f″(p)≠0,x 對 p 在附近可反解,故 dy/dx=(dy/dp)/(dx/dp)=p;再結合原式的代數關係,才完成局部解的驗證。若 f″=0,這個充分條件失效,需要另外檢查,不能一律判有解或無解。

例如 f(p)=ap+b,得到的直線族是 y=c(x+a)+b。候選條件 x=−a 再代回 y=b,只剩一個點 (−a,b);它不是定義在一個開 x 區間的解函數。所有直線通過同一點,不代表還多了一條可以稱為解的包絡曲線。

切線與包絡,可以接成一條解嗎?

兩段解要接起來,必須接在「方向剛好一樣」的地方,否則接點就不合法。

在主例中可以,但必須在相切的位置接。選兩個實數 a<b,令

y=(a/2)x−a²/4,x < a
y=x²/4,a ≤ x ≤ b
y=(b/2)x−b²/4,x > b

左接點 x=a 的值為 a²/4,左右導數都是 a/2;右接點 x=b 的值為 b²/4,左右導數都是 b/2。導數在三段分別是 a/2、x/2、b/2,所以整體為 C¹。各段滿足原式,接點也以同一組 (x,y,p) 滿足原式。它是一條真正的解,即使接點的二階導數從 0 跳到 1/2 或反向跳回。

互動使用 a=−b 的對稱例,讓你移動兩個接點。直線族、整條包絡與這些接合解,都由相同方程容許;只列「直線或包絡」會漏掉後者。本頁展示可驗證的解,不宣稱完成一般 C¹ 解的窮盡分類。

這也提醒我們別直接套用已解成 y′=f(x,y) 的唯一性結論。在 (0,0),y=0 與 y=x²/4 不只位置相同,導數也同為 0。把本例當作 p 的二次式求根會得到

p = [x ± √(x²−4y)]/2

兩根在 x²−4y=0 合併,根號分支在邊界也不具備通常唯一性定理所需的正則條件。這與前面正規一階線性方程的唯一性並不矛盾。

試著驗證另一組包絡

換一組數字自己走一次:找直線族、找另一個因子、再代回原式驗算。

1. 對 y=xp−2p²,求直線族和包絡解,再找 c=1 的切點。

看完整推理

固定 p=c 得 y=cx−2c²。微分原式得 (x−4p)p′=0,另一分支為 p=x/4,代回得到 y=x²/8。它的導數確為 x/4,且 xy′−2(y′)²=x²/4−x²/8=x²/8。

c=1 的直線是 y=x−2,在 x=4 時包絡值為 2、斜率為 1,所以切點是 (4,2)。不能把原主例的 (2c,c²) 原封不動套過來。

2. 對 y=xp+2p+3,消去 p 後得到 (−2,3),是否找到奇解?

看完整推理

固定 p=c 得 y=c(x+2)+3,這些直線都通過 (−2,3)。另一因子 x+2=0 只指定一個 x,代回 y=3。單一點沒有開區間上的函數與導數,故這個消去結果不構成一條解。這裡 f″=0,常用的局部包絡驗證不能使用。

3. 主例中,在 x=−2 和 x=2 把包絡接上切線,請寫出函數並檢查接點。

看完整推理

左切線斜率 −1、右切線斜率 1,所以

y=−x−1,x < −2
y=x²/4,−2 ≤ x ≤ 2
y=x−1,x > 2

在兩個接點,函數值都是 1。左接點的兩側導數同為 −1,右接點同為 1,因此 C¹。直線段分別滿足 xp−p²=−x−1、x−1,包絡段滿足 x²/4;在接點代入也得到 1。二階導數不連續不會讓這個一階方程的解失效。

下一頁:x 前面不再只是 p

把 x 前面的係數換成別的函數,那個好用的抵消就不見了。下一頁處理這種情況。

Clairaut 的關鍵抵消來自 y′=p 與 xp 微分後的 p。若 x 前面換成一般 φ(p),抵消不再完整,卻可能得到一個熟悉的線性方程——這次未知函數是 x(p)。下一頁會檢查這個交換自變數的過程,並補回被分母排除的常斜率解。

來源與範圍

定義與定理條件依下列作者/大學教材核對。本文的說明、例題與互動另行推導編寫。圖上小數是近似顯示;一般定理的引用不等於圖形能證明它。本頁以原式代回與明確的區間支持例題結論。