數學 · 常微分方程 · 17

一階高次微分方程First-order, higher-degree equations

同一個位置,可以容許不只一個斜率。先把分支找全,再決定哪些段落接得起來。

前面常把方程整理成 y′=f(x,y)。現在保留 y′ 的平方、乘積或其他隱式關係:一個初始點可能同時通過兩條解,而兩條解相交,也未必能拼成第三條。

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同一點的兩個方向

比較通過 (1,1) 的兩條解,再切換到等待解與有尖角的拼接。等待解改從 (0,0) 出發。

有效解(綠色實線)另一分支(藍色虛線)/錯誤拼接(金色虛線)
對 (y′)²=4y,y=x² 與 y=(x−2)² 都通過 (1,1),斜率分別為 2 與 −2;在這一點直接拼接會失去可微性。
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。
y(1)
x=1 的斜率

一階,為什麼還叫高次?

「一階」說的是最多微分一次;「高次」說的是那個導數被乘了幾次方。兩件事各自獨立。

這一頁需要前面的階數與分類、分離變數及解的區間。先縮寫 p=y′,把問題寫成 F(x,y,p)=0。階數問最高出現第幾階導數;次數則在方程可寫為導數的多項式時,問最高階導數的最高冪次。

(y′)² = 4y ⇔ p² − 4y = 0最高只到 y′:一階;p 的最高冪為 2:二次。

相反地,y″+y=0 是二階一次。sin(y′)=x 雖然仍是一階,卻不能直接依這個多項式定義報出次數。「高次」也不是「多微分幾次就能解」的指令;微分可能改變解的集合。本頁只討論實數、連續可微的 y(x),並要求原方程在解的整個區間成立。

先看每一點允許哪些斜率

同一個點,方程可能允許好幾個斜率。這時只給位置還不夠,還要說走的是哪一支。

在 p²=4y 中,固定 (x,y) 後,先把 p 當代數未知數:

y < 0:沒有實數 p
y = 0:p = 0
y > 0:p = +2√y 或 −2√y

所以初始條件 y(1)=1 並沒有挑出唯一方向。直接檢查兩個候選:

  1. 上升的那條

    y=x²,y′=2x
    (y′)²=4x²=4y

    在 x=1,值是 1、斜率是 2。

  2. 下降的那條

    y=(x−2)²,y′=2(x−2)
    (y′)²=4(x−2)²=4y

    在同一點,值仍是 1,斜率卻是 −2。兩條都是原式的全實軸解。

一個點畫一根小線段的方向場,適合已選定的 y′=f(x,y)。若直接拿來代表整個隱式方程,這裡需要在 y>0 同時保留兩個方向。當 F 對變數連續可微、某個根滿足 Fp≠0,隱函數定理允許在該根附近解出一條 p=f(x,y) 分支;這是局部結論,也沒有消除其他根。本例 Fp=2p,在 y=0 的根上恰好失效。

解出 p:根號的正負也有區間

在 y > 0 的連通區間,先固定正號或負號再分離變數;斜率若要換號,必須先走到 y = 0。

在一段 y>0 的連通區間,連續的 p 不可能從正變負而不經過 0;但 p=0 又要求 y=0。因此先固定符號 s=+1 或 −1,再分離變數:

  1. 選定斜率分支

    y′ = 2s√y

    只在 y>0 的區間除以 √y,不能把零解一起除掉。

  2. 積分前看見一個導數

    (√y)′ = y′/(2√y) = s
    √y = sx + C

    這一行仍保留了根號左側必須非負的資訊。

  3. 平方後保留條件

    y = (sx+C)²,且 sx+C > 0

    在目前的正值區間用嚴格大於。若走到零點,能否延伸須再檢查。

平方後的拋物線作為 p²=4y 的候選,可以穿過頂點;但頂點兩側屬於不同的根號分支。例如 y=x² 在 x>0 滿足 y′=+2√y,在 x<0 滿足 y′=−2√y。原方程的同一條解,不必永遠留在同一個根號符號。每次換支,仍須檢查接點。

值接得上,導數也得接得上

兩段要接成一條解,光是高度接得上不夠,斜率也必須接得上。

先補回除法漏掉的 y=0:導數為零,代入 p²=4y 成立。它還能和拋物線組成一組等待解。任取 b≥0,定義

y(x) = x²,x < 0
y(x) = 0,0 ≤ x ≤ b
y(x) = (x−b)²,x > b

在 x=0 與 x=b,兩側函數值都是 0;一側導數是 2x 或 2(x−b),另一側是 0,極限同樣是 0。因此 y′ 連續,且接點本身也滿足 0²=4·0。這確實是一條 C¹ 解。b>0 時接點通常沒有二階導數,卻不妨礙一階原式成立;b=0 時則回到光滑的 y=x²。

現在試著把通過 (1,1) 的兩條拋物線接起來:

y=x²,x ≤ 1
y=(x−2)²,x > 1

接點兩側的值都是 1,但左導數是 2,右導數是 −2。在 x=1 沒有導數,所以這條連續曲線不能作為跨過 1 的解。不能用「除接點外都滿足」代替原題的「整個區間都滿足」。上面的等待解是具體可行的拼接例,不宣稱已窮盡所有解。

也可以先解出 y 或 x

解不出 p 的時候,可以反過來解 y 或 x,把斜率本身當成參數。

三種整理方式是在找可用的未知函數,不是三套保證成功的公式。如果原式容易寫成 y=G(x,p),就在 p 可微的局部光滑段使用鏈鎖律:

p = Gx + Gp·dp/dx

例如本題 y=p²/4,得到 p=(p/2)p′。保留 p=0 後,在 p≠0 的段落除法得到 p′=2,所以 p=2x+C,等價地 x=p/2+C₁、y=p²/4。這條路把斜率本身變成參數,但微分原式時暫時要求 y 至少有二階導數;前面那些只具 C¹ 的接點,要回到原式個別驗證。

若較容易解出 x=H(y,p),可以在 p≠0 的局部把 y 當自變數:

dx/dy = 1/p
1/p = Hy + Hp·dp/dy

例如 x=y+p² 變成 1/p=1+2p·dp/dy,因而

dp/dy = (1−p)/(2p²),p ≠ 0

這一步需要局部可反解的 y(x),並且分母不能為零;整理後也未必是線性方程。常斜率 p=1 給 y=x−1,代入 x=y+p² 確實成立。p=0 不能靠除法保留,必須另查:若整段 p=0,y 是常數,原式卻要求 x=y,不可能在一個開區間都成立。被除掉的分支可能是解,也可能不是;答案來自代回。

試著自己分支,再看推理

先自己分支、自己驗解,再看推理。轉彎的地方特別容易出錯。

1. (y′−1)(y′+2)=0 的 C¹ 解,可以隨時在兩種斜率間切換嗎?

看完整推理

令 p=y′,每一點只能取 1 或 −2。因為 p 連續,若在連通區間取過兩個值,中間值定理會迫使它取 0 等中間值,違反原式。所以整段 p 必須固定。

y=x+C 或 y=−2x+C

兩族代入都成立。即使兩條直線相交,也因斜率不同而無法在交點拼成 C¹ 解。

2. 對 p²=4y,y(0)=−1 有解嗎?y(0)=0 是否只有零解?

看完整推理

前者在初始點要求 p²=−4,沒有實數斜率,因此連局部實解都不存在。後者至少有 y=0 與 y=x²,兩者值和初始斜率都是 0,也都滿足原式。還能採用正文任意 b≥0 的等待解。單給初始位置,甚至補上這裡被強制的零斜率,都沒有唯一性。

3. 把 √y=−x+2 平方得到 y=(x−2)²,能說它處處滿足 y′=−2√y 嗎?

看完整推理

不能。原根號等式要求 −x+2≥0,即 x≤2。實際導數為 2(x−2),右側為 −2|x−2|,只有 x≤2 相等;在 x>2,左側為正而右側為負。這條拋物線仍在全實軸滿足平方後的隱式原方程 p²=4y,但已不是全實軸上的負根分支解。

下一頁:直線之外,還有什麼解?

下一頁的方程一次給出一整族直線,另外還藏著一條貼著它們的曲線。

現在每次除法前會留下被排除的情況,拼接前也會檢查導數。接下來的 Clairaut 方程會一次給出整族直線;微分後剩下的另一個因子,則帶出與每條直線相切的曲線。它能不能也算解,要從同一個原式開始判斷。

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。