乘上非零函數,保留原來的解方向
乘上一個不會等於零的函數,解曲線的方向不會改變——但零點和沒定義的地方要另外交代。
從 M dx+N dy=0 出發,假設它尚不正合。希望找一個函數 μ,使
只要 μ 在選定區域上處處非零,乘之前與乘之後的方程等價;除回 μ 就可還原。但「方向相同」不代表向量的大小相同,負的 μ 還會反轉 (M,N) 的方向。解曲線仍沿相同的切線方向。
μ=0 的地方不能靠除法還原;μ 未定義的地方更不能直接使用。因此本頁所有求法都先選區域,再回到原式核對被排除的位置或解。
先假設 μ 只依賴 x,看看這要求什麼
先試因子只跟 x 有關。若正合條件化簡後也只含 x,就能用一條一階方程求因子。
正合條件是 (μM)ᵧ=(μN)ₓ。若 μ=μ(x),對 y 偏微分不會微到 μ,但對 x 會:
把兩邊乘積微分展開
μMᵧ = μ′N + μNₓμ′ 此時就是 dμ/dx。
把已知係數移到同一邊
μ(Mᵧ−Nₓ) = μ′N若選定區域中 N≠0,且 μ≠0,可以除以 μN。
左邊只可能依賴 x
μ′/μ = (Mᵧ−Nₓ)/N = f(x)右側化簡後也必須只依賴 x;若仍真的依賴 y,這個假設就不成立。
解這個一變數方程
μ(x)=exp(∫f(x)dx)對連續 f 選任一原函數即可。接著仍要驗 (μM)ᵧ=(μN)ₓ,並求勢函數。
這是尋找只依賴 x 的因子的特別方法,不是所有微分方程的通用答案。公式是在分母非零區域推導的;如果化簡後想延伸到 N=0 的位置,要回頭直接檢查乘過去的形式,不能只引用剛才的除法。
完整例題:2y dx+x dy=0,y(1)=1
完整算一次:找因子、乘開、確認正合、求勢函數、代初值、代回檢查。
檢查原形式
M=2y,N=x;Mᵧ=2,Nₓ=1不相等,所以原形式不正合。先取含 x=1 的區域 x>0。
試只依賴 x 的因子
(Mᵧ−Nₓ)/N=1/x ⇒ μ=xe^(ln x)=x,在這個半平面處處非零。
相乘後重新驗證
2xy dx+x² dy=0兩個交叉偏導數都是 2x,且這就是 d(x²y)=0。
求常數與顯式解
x²y=C;C=1 ⇒ y=1/x²在 (0,∞) 上可微。原式 2y+xy′=2/x²+x(−2/x³)=0,初值也正確。
同一題若先除以 x,變成 y′+(2/x)y=0,線性法的因子是 x²。這沒有衝突:
因為兩份「原式」本來就相差 x 倍,所需乘數自然不同。比較積分因子之前,先確認方程是否已經除過某個係數。
如果初值改為 y(1)=0,就得到 y≡0。雖然原式還可以在 x=0 代入,其他 C/x² 分支在零附近發散;不要用 μ=x 在零為零的事實,替任何曲線自動加上穿過零的資格。
若只依賴 y,分母與符號都會換
也可以試只跟 y 有關的因子。這次分母和分子的相減順序都會改變。
令 μ=μ(y),此時 (μM)ᵧ 會微到 μ,而 (μN)ₓ 不會:
在 M≠0、μ≠0 的區域,整理成
如果右側只依賴 y,便可取 μ(y)=exp(∫g(y)dy)。注意與 μ(x) 的測試相比,分母改成 M,分子也反向相減;兩個改變都來自乘積微分,不要只交換字母。
例:y dx+2x dy=0
M=y、N=2x,所以 (Nₓ−Mᵧ)/M=(2−1)/y=1/y。在 y>0 區域選 μ=y,得到 y² dx+2xy dy=d(xy²)=0。
若 y(1)=1,則 xy²=1,選正分支 y=1/√x,I=(0,∞)。代回 y+2xy′=x−1/2−x·x−3/2=0。負分支對應不同初值;原式的 y≡0 也有效,但乘數公式排除了 y=0,所以要另行代回列出。
線性積分因子,就是其中一個直接可行的情況
一階線性方程用的積分因子,其實就是這個方法裡最直接的一種情況。
把 y′+p(x)y=q(x) 寫成
此時 M=py−q、N=1,Mᵧ=p、Nₓ=0。μ(x) 測試便直接給 μ′/μ=p,得到前面推導的 μ=e∫p dx。而勢函數可以選
Fᵧ=μ;Fₓ=μ′y−μq=μ(py−q),兩個偏導數都符合。令 F=C,正是線性法的積分結果。這個接法需要 p、q 至少連續,並直接由公式驗證偏導數;不必額外要求 q 可微才能解一階線性方程。
如果兩個特別測試都失敗,不表示沒有解、也不表示不存在依賴 x 與 y 的積分因子。例如在 x>0、y>0 上,M=x²+y、N=x(1+y) 的兩個比值為 −y/[x(1+y)] 與 y/(x²+y),都依賴兩個變數,因此這兩條捷徑沒有給出答案。
對一般 μ(x,y),正合要求 Mμᵧ−Nμₓ=(Nₓ−Mᵧ)μ,已是一個關於 μ 的偏微分方程。本系列此處只建立判讀邊界,不假裝找到一個容易的普遍算法。
練習:每次都把乘積微分展開
每一次都把乘積微分實際展開來對,不要用「看起來很像」判斷。
1. 對 3y dx+x dy=0,求 μ(x) 與解。
看完整推理
在 x>0,(Mᵧ−Nₓ)/N=(3−1)/x=2/x,故 μ=x²。乘後為 3x²y dx+x³dy=d(x³y)=0,得 y=C/x³。代回 3y+xy′=3C/x³−3C/x³=0。
2. 對 y dx+3x dy=0,求 μ(y),並處理零解。
看完整推理
在 y>0,(Nₓ−Mᵧ)/M=(3−1)/y=2/y,取 μ=y²,得到 d(xy³)=0。一般隱式解 xy³=C;若 y(1)=1,則 y=x^(−1/3)(x>0)。原式 y≡0 直接代入也成立,應另行列出,不能因測試時除 y 而丟掉。
3. 把 μ 換成 0,能讓所有方程都正合嗎?
看完整推理
會得到 0=0,但它允許任何曲線,失去與原式的等價性,所以不是有效解法。換成固定非零倍數 Kμ 才會保持解族;若 μ 只在某條線為零,該線也必須另行檢查。
把這段方法放在同一張路線圖
把這一段的方法放回同一張路線圖,看它和前面的工具怎麼接上。
一階線性法用乘積微分,Bernoulli 用冪次代換,正合法找不變量;正合積分因子則把前兩種觀點接起來。遇到題目時,先看結構與允許的區域,再選工具,最後用原式、初值與區間驗算。
下一部分將處理導數不再只以一次方出現的情況,以及一般解族以外的奇解。目前可以先回到已完成的例子,練習辨認同一題可走的不同路線。
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。
- Jiří Lebl · Exact equations · Integrating factors:乘因子後的正合條件與線性方法的關係。
- Jiří Lebl · Linear equations and the integrating factor:線性因子的乘積微分推導。