三個問題,要分開回答
「有解嗎」「只有一條嗎」「能撐多遠」是三個不同的問題,答案可以一個是、一個不是。
初值問題寫成 y′=f(x,y)、y(x₀)=y₀。x₀、y₀ 是給定的起點;f 是給定的斜率規則。存在問「至少有一個函數嗎」,唯一問「同一起點能否有不同函數」,全域存在還問「能否延伸到指定的整段時間」。
我們找的是在包含 x₀ 的開區間上可微、滿足方程及初值的函數。只畫出一條數值折線,既不能證明唯一,也不能排除另一條沒有被算出的曲線。三個問題必須靠方程條件或嚴格計算分別回答。
一個可檢查的局部定理
定理給的是一張檢查表:只要規則在起點附近夠平順,就保證附近有唯一一條解。
以下引用存在唯一性定理的常用充分條件版本,這裡不證明一般定理:
取一個以 (x₀,y₀) 為內點的開矩形。若 f(x,y) 與偏導數 fy(x,y) 都在該矩形存在且連續,則有某個 h>0,使初值問題在 x₀−h<x<x₀+h 上存在唯一解(取 h 足夠小,使解留在矩形內)。
fy 表示固定 x,只對 y 微分,不是沿著解曲線的總導數。例如 f=2xy 時 fy=2x;f=y² 時 fy=2y。要檢查的是起點周圍一整片區域,不只是起點的一個數。
只假設 f 在起點附近連續,局部存在已有保證(Peano 存在定理);但唯一性還需要額外控制。常用的更一般版本是 f 對 y 局部 Lipschitz:在小矩形內有固定 L,使 |f(x,u)−f(x,v)|≤L|u−v|。它限制兩個相近高度的斜率差不能放大得毫無上限。連續的 fy 是便於檢查的充分條件,不是唯一的入口。
把熟悉例子寫成 f
y′=y;f(x,y)=y任何起點附近,f 都連續。
固定 x 對 y 微分
fᵧ(x,y)=1偏導數也處處連續,所以每個初值都有局部唯一解。
全域再另行核對
y(x)=y₀ ex−x₀公式在所有有限實數 x 都有定義,且代回成立。這才補上此例的全域存在;不是把「局部」偷換成「永遠」。
反例:同一點真的可以有很多條解
同一個起點真的可能長出好幾條解。這不是算錯,是這條規則本身允許的。
回到第二頁提過的例子,這次完整檢查:
零函數顯然滿足兩側都為 0。再固定任何 a≥0,定義等待解:
在等待區檢查
x<a:yₐ′=0,3(∛yₐ)²=0兩側一致。
在出發後檢查
x>a:yₐ′=3(x−a)²右側的立方根是 x−a,平方乘 3 也得到相同結果。
接點不能漏
x=a:左右函數值都是 0;左右導數都是 0右側差商 h³/h=h²→0,左側差商為 0。因此接點可微且仍滿足原方程。
確認不同但同初值
a≥0 ⇒ yₐ(0)=0例如 a=0 與 a=1 在 x=2 分別為 8 與 1,已直接證明它們不同。
這裡 f 連續,所以解的存在並不意外;但 fy 在 y=0 不存在有限值。更直接看,|f(x,ε)−f(x,0)|/|ε|=3ε−1/3(ε>0),在 ε→0 時無界,無法找到同一個 L。
不是因為定理不能用,就宣布不唯一。真正的不唯一證據,是剛才寫出了不同解並逐段代回。這些只是足夠作反例的一族,不宣稱已列盡所有解。
條件失效,不等於結論相反
檢查表沒通過,只代表「這個方法保證不了」,不代表「一定會有很多條解」。
比較 y′=|y|、y(0)=0。fy 在零處同樣不存在,但由反三角不等式:
它對 y 滿足 L=1 的 Lipschitz 條件。因此較一般的定理仍保證唯一,而 y=0 已是解,便是此初值的唯一解。這個例子拆開了「某種檢查法沒通過」和「唯一性真的失敗」。
也可能根本無解。例如原式 x y′=1,要求在含 x=0 的區間成立;代 x=0 立即得到 0=1。這是矛盾證明。把它除成 y′=1/x 會看見奇點,但不能藉此把初始點偷偷換掉。
光滑的規則,也可能有限時間發散
規則再平順,也只保證「附近」。解仍可能在有限的位置就衝到無限大。
考慮 y′=y²、y(0)=1。f=y² 與 fy=2y 處處連續,局部唯一性沒有問題。候選解與驗證為:
寫出並檢查初值
y(x)=1/(1−x),y(0)=1求法在後面的可分離/區間頁逐步展開;此處先驗解。
檢查導數
y′(x)=1/(1−x)² = y(x)²在 x≠1 時成立。含起點 0 的連通區間是 (−∞,1)。
觀察右端
x→1⁻ ⇒ y(x)→+∞沒有有限 y(1) 能讓它連續延伸,更不用說可微。方程本身沒有壞掉,是這條解離開了所有有限高度。
x>1 的同一公式另有一段曲線,但不通過 (0,1),也不能跨過發散點拼接。局部定理保證起步,不保證無限旅程;下一頁開始學求解,接著會把區間問題徹底拆開。
先說保證了什麼,再說尚未知道什麼
回答時要分清楚:哪一部分是定理保證的,哪一部分只是圖上看起來像。
1. f 與 fᵧ 在整個平面連續,能推論每個解都存在於全部實數嗎?
看完整推理
不能。y′=y²、y(0)=1 就是反例,解在 x=1 發散。條件可以在每個有限點保證局部存在唯一,但沒有保證解的高度永遠有限。
2. 等待解 a=2 在接點的導數是多少?它符合 y(0)=0 嗎?
看完整推理
接點導數為 0:左側常數導數為 0,右側 3(x−2)² 在 x→2⁺ 也趨近 0;差商同樣證明可微。因 0≤2,y₂(0)=0,初值成立。
3. 畫布只畫出一條曲線,可以宣布唯一嗎?
看完整推理
不能。可能只是程式選了某個分支;例如 Euler 從非唯一例的零點起步,每次斜率都是 0,便只畫出零解。唯一性需要定理條件或其他證明,像素不是排除其他解的證據。
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。
- Brown University · Peano and Picard theorems:連續性足以保證局部存在,唯一性需要額外條件。
- Jiří Lebl · Slope fields · Theorem 1.2.1:局部存在唯一性的可微充分條件。
- NPTEL · Existence & Uniqueness:Lipschitz 版本的定理。
- William F. Trench · Existence and uniqueness:存在、唯一與有效區間的區別。