顯式與隱式:兩種表示方式
答案不一定寫得成 y = ⋯。有時只能先給出 x 和 y 的關係式,再從裡面挑出一段能當函數的曲線。
顯式表示把 y 單獨寫在一邊,例如 y=√(4−x²)。隱式表示則給 x、y 的關係,例如 x²+y²=4。後者本身是一條曲線的條件,還要選出一段可微的函數 y(x),才是我們在 ODE 中使用的解。
因此「有個等式成立」不是驗解的終點。圓的上半、下半都滿足同一關係,整個圓卻不是單值函數 y(x):同一個 x 通常對應兩個高度。
此頁變數無因次。初值問題要附的區間,是包含初始位置的連通開區間;在其中函數可微,原方程有定義且成立。「最大」指不能再以同一條解向外延伸;與繪圖窗多大無關。
完整隱式例:從方程得到半圓
同一個關係式裡包著好幾段解。初始條件決定你走的是哪一段,端點也要一起交代。
保留原限制,再乘回 y
y y′ = −x,y≠0乘完仍記住原方程在 y=0 無定義,不能擴張成另一個問題。
認出鏈鎖律後積分
d(y²/2)/dx=−x ⇒ y²/2=−x²/2+C右側積分為 −x²/2;y 是隨 x 改變的函數。
用初值決定常數
x²+y²=C₂;0²+2²=4 ⇒ C₂=4得到隱式關係 x²+y²=4。
初值選支
y=+√(4−x²),−2<x<2y(0)=2 選正號;負號給 −2,不符合初值。選定區間內 y>0,不會突然換號。
以隱式微分代回
2x+2y y′=0 ⇒ y′=−x/y這一步仍用到 y≠0。也可直接微分正平方根得到 −x/√(4−x²)。
核對兩個端點
x=±2 ⇒ y=0原式分母為零,顯式曲線也失去有限斜率。兩端不能包含,最大區間為 (−2,2)。
若把初值改成 y(0)=−2,常數仍是 4,但選的是負平方根。兩支不能在端點繞過去形成同一個 y(x) 解:除了單值問題,原方程在接點也沒有定義。
一般關係 F(x,y)=C 若在該點附近連續可微,且在一個滿足關係的點 Fy≠0,隱函數定理可以在附近選出可微的 y(x)。此例 Fy=2y;端點條件失效,但失效本身不總是「無解」證明。本例另由原式除零直接判定。
對數裡的絕對值不能省
積分 1/y 得到的是 ln|y|,絕對值不能省:它把正的一支和負的一支分開處理。
對 y≠0,反導函數是 ∫dy/y=ln|y|+C。理由可分兩支核對:
ln y 只允許 y>0,會漏掉負解;ln|y| 則在兩側各自適用,但依然排除 y=0。取指數得到 |y|=eCeF(x) 後,右側恆正;eC 不可能等於零。非零解可把符號併入 A=±eC,零解必須另外由原式補回,不能聲稱它來自某個有限 C。
前頁 y′=2xy 的 A∈ℝ 是這三部分合併後的結果:正解、負解、另驗的零解。每一個 A 在整條實數軸上給一個解,並不表示所有分離法例子都如此。
完整區間例:y′=y²,y(0)=1
解的有效範圍不是畫面邊界決定的。這一題到 x = 1 就真的結束了,不是圖畫不下。
先保留平衡解
y=0它符合方程,但不符合初值 1。此初值附近可在 y≠0 分離。
分離並積分
y′/y²=1 ⇒ −1/y=x+C因為對 y 微分 −1/y 得 1/y²;這裡不會出現 ln|y|。
代入初值
−1/1=0+C ⇒ C=−1所以 −1/y=x−1,解出 y=1/(1−x)。
驗方程、初值
y′=1/(1−x)²=y²;y(0)=1在 x≠1 有效;初值在奇點左側。
選包含 0 的連通區間
I=(−∞,1)不能寫成所有 x≠1 就結束,因為那是兩段不相連集合。
證明無法向右延伸
x→1⁻ 時 y→+∞任何可微延伸都必須連續,因而有有限 y(1);發散排除此可能。
在 (1,∞) 上,同一公式也滿足方程;它是另一段負解,和初值 y(0)=1 的解分開。若硬把兩段一起稱為此初值的解,就掩蓋了無法跨過 x=1 的事實。
改成 y(0)=−1,計算得到 y=−1/(1+x),最大區間是 (−1,∞)。奇點位置不是方程唯一指定,還和初值有關。y(0)=0 則給零解,整條實數軸都可用。
檢查原式,而不只檢查最後一行
檢查答案要回到原方程,不能只看最後一行的等式對不對。
1. y′=−x/y,y(0)=1 的隱式關係、解支與區間?
看完整推理
積分得 x²+y²=C,初值給 C=1。選正支 y=√(1−x²),I=(−1,1)。微分給 y′=−x/y,初值正確;兩端 y=0 使原式無定義,所以不能包含。
2. y′=y²,y(2)=−1,同一公式 1/(1−x) 可以用嗎?
看完整推理
可以,但此初值位於奇點右側。代 x=2 得 −1,導數也等於 y²;最大區間為 (1,∞)。它與 y(0)=1 選中的左側區間不同。
3. 由 ln|y|=x+C,能用 eᶜ=0 取得 y=0 嗎?
看完整推理
不能,任何有限實數 C 的指數都大於 0。要回到產生此式的原方程檢查零函數;若原式有 1/y,零可能根本不是解。因此「補零解」也不能盲目套用。
從解的區間,走向整體行為
一個完整的答案包含四件事:原方程、初值、選了哪一支、以及有效區間。
現在每個答案都應帶著原方程、初值、解支與有效區間。下一頁遇到斜率只依賴 y 的方程時,我們會先用一條相線判斷解往哪裡走,再用解析式核對。
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。
- MIT 18.022 · Implicit function theorem:連續可微關係與非零偏導數下的局部函數表示。
- Jiří Lebl · Separable equations · Implicit solutions:隱式表示、分離法的失解與支選擇。
- Jiří Lebl · Existence and uniqueness:局部解與原方程有效範圍。