數學 · 常微分方程 · 04

微分方程的分類Classification of differential equations

同樣有導數,為什麼不能用同一種方法解?

前一頁用方向場看解的走勢。現在先讀方程的結構:未知函數依賴誰、導數到幾階,以及未知量如何出現。

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先判斷,再查看理由。

換一條方程,先說出「幾階」與「是否線性」。不要用公式的長短判斷難度。

先找未知函數與自變數

分類不是為了貼標籤,是為了先知道能用哪些工具。第一步永遠是問:未知的是誰?它跟著誰變?

分類是描述結構的語言。它能縮小可嘗試的方法,卻不是「看到標籤就一定能算出答案」的保證。此頁的 x、y 都是無因次數學變數;y′ 表示 dy/dx。

在 y′=y 中,未知的是一個函數 y(x)。雖然算式同時出現 x 和 y,它仍只有一個自變數 x:y 是隨 x 決定的應變數,因此是常微分方程(ODE)。

∂u/∂t = α ∂²u/∂x²未知量 u(x,t) 同時依賴位置 x 與時間 t;α 是給定的正數。此處只作分類示例。

上式使用偏導數:對 t 微分時固定 x;對 x 微分時固定 t。它是偏微分方程(PDE)。本系列主要研究 ODE,不在這裡展開 PDE 解法。

階數:最高微分到哪裡?

階數就是「微分到第幾層」。只看最高的那一層,和式子長不長、係數複不複雜都無關。

y′ 是一階導數,y″ 是二階導數。階數是方程實際含有的最高階導數。先整理恆等抵消的項,再看留下什麼;不是數有幾個撇號或幾個項。

y″ + 4y = 0 二階:最高是 y″。(y′)² = y 一階:把 y′ 平方,並沒有再微分一次。

因此「高階」與「高次」不是同義詞。高階增加了導數的層次;高次涉及導數在代數形式中的冪。不能把一階高次章節誤讀成二階方程。

線性:未知量能否只出現一次?

線性說的是未知函數出場的方式:只能單獨、一次地出現。它跟圖形是不是直線沒有關係。

在一段研究區間內,線性 ODE 可以寫成:

aₙ(x)y(n) + ··· + a₁(x)y′ + a₀(x)y = g(x)a₀,…,aₙ 與 g 都是已知函數;aₙ 在該區間不為零,才能視為正常的 n 階方程。

y 與各階導數只以一次出現,彼此不相乘,也不放入平方、sin 或指數等非線性函數中。係數只能由自變數給定,不能偷偷含有未知的 y。

  1. 讀一條看起來很長的式子

    (1+x²)y″ + sin(x)y′ + y = eˣ

    未知量是 y、y′、y″;係數分別是 1+x²、sin(x)、1,都只依賴 x。

  2. 判斷最高階與線性

    最高導數 y″;係數 1+x² > 0

    它在整條實數軸保持二階,且是線性方程。sin(x) 不是 sin(y),不會破壞線性。

  3. 區分是否有外加項

    g(x) = eˣ ≠ 0

    移項成標準式後,右側不含 y 且不為零,所以叫線性「非齊次」。非齊次仍可線性。

短,卻非線性

y′=y²:未知量平方。
y y′=x:未知量與自己的導數相乘。
y′+sin(y)=0:未知量放進 sin。

長,仍可線性

(1+x²)y″+sin(x)y′+y=eˣ:變係數與外加項不等於非線性。線性也不代表一定有簡單的初等公式。

若 g(x) 恆為零,才叫線性齊次。所以 y′=y 等價於 y′−y=0,是線性齊次;y′−y=x 是線性非齊次。非線性方程不套用這一組線性分類。

把 y′=y² 除以 y 得到 y′/y=y,並沒有把它變線性:左側係數 1/y 仍依賴未知量,還額外排除了零解。

次數:先確認導數是多項式形式

次數看的是導數被乘了幾次方。一階可以是高次,高階也可以是一次,兩件事不要混在一起。

此處採常見的 degree 定義:把式子整理成對各階導數的多項式形式後,最高階導數的最高冪次,就是方程的次數。係數仍可含 x、y。要先確認這個定義能用,才填數字。

方程階數次數原因
y′=y²11最高導數 y′ 沒有平方。
(y′)²=y12最高導數被平方。
y″+(y′)³=021看 y″ 的冪,並非全式最大的 3。
sin(y′)=y1未定義不是導數的多項式形式。

平方、開根、除以式子不是免費的整理。它們可能增減解,還可能改變 degree 的表面讀值。例如 y′=y 與 (y′−y)²=0 有相同的實數解條件,但寫成多項式時的冪不同。degree 是指定方程形式的描述,不能單獨當成解集或難度的永久標籤。

若用平方去掉根號,最後必須保留原符號條件並代回;若用 arcsin 反解 sin(y′)=y,主值不涵蓋所有角度分支。這頁不靠不等價操作勉強賦予 degree。

用四個問題讀一條方程

照順序問四個問題,陌生的方程就能歸位:幾個自變數、幾階、線性嗎、幾次。

依序問:未知函數依賴幾個自變數?最高導數到幾階?未知量是否線性出現?若是導數多項式,最高階導數的冪是多少?

1. y″+(y′)³=0 是二階三次嗎?

看完整推理

不是。它是二階一次、非線性 ODE:最高階是 y″,而它的冪為 1;(y′)³ 使它非線性,但不把 degree 變成 3。

2. x y′+y=1 的係數在 x=0 為零,能直接除以 x 嗎?

看完整推理

只能在 x≠0 的區間除。原式在 x=0 要求 y(0)=1;除後 y′+y/x=1/x 則在該點無定義。方程的線性形式仍可辨認,但用一階正常化理論時必須分區間。

3. y′−y=sin(x) 是非線性嗎?

看完整推理

它是一階一次、線性非齊次 ODE。sin 的輸入是已知的 x,沒有對未知 y 作非線性運算。右側 sin(x) 不恆為零,所以不是線性齊次。

分類說明了方程長什麼樣子;下一頁再問更根本的事:給定初始點,解是否存在、是否只有一個?

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、例題推導與互動另行編寫;圖上小數是近似顯示,數學結論由推導及代回支持。本頁不證明所引用的一般存在唯一性定理。