數學 · 常微分方程 · 02

解族與初始條件Solution families & initial conditions

同一條變化規則,能留下無數條曲線。一個初始條件,如何選出其中一條?

延續 y′ = y,從解族推導通解,再一步一步把指定的初始點放進公式。

系列目錄 · 02/26

把一個點,放進一整族解裡。

方程仍是 y′ = y。改變指定的初始點,看看哪一條曲線會穿過它。

選定的精確解初始點其他解(淡色虛線)
y′=y 的解為 Ceˣ;y(x₀)=y₀ 選出 y₀e^(x−x₀)。
點畫布、用滑桿,或用方向鍵移動初始點。可選 x₀:−0.5 到 0.5;y₀:−2 到 2。超出此區的點選會停在可選邊界。
初始點 (x₀, y₀)(0, 1)
C = y₀e−x₀(約)1
這條解在 x=1 的值(約)2.718

01 / 接住上一頁的問題

同一條規則,容許不同的起點。

對 y′ = y,eˣ 前面乘上任何常數都還是解,這一整群曲線就叫解族。

上一頁我們檢查了 eˣ、3eˣ 和 0:它們都滿足 y′=y。現在把不同的倍數統一寫成一個符號 C。

y(x) = CeˣC 是任意實常數。選一個 C,就選出一個函數。

固定 C 之後,對 x 微分,得到 y′=Ceˣ=y。所以每一個 C 都產生一個解;把它們放在一起,就是解族。

C 為正,曲線在 x 軸上方;C 為負,曲線在下方;C 為 0,就是整條水平的零解。互動中的淡色曲線只取這個無限解族的一小部分,綠色則是你目前選中的解。

C 是同一條曲線上的固定數。沿 x 移動時,不能每到一點就重新挑一個 C。若改成 C(x),求導會多出 C′(x)eˣ,通常就不再滿足原方程。

02 / 不只找到幾個例子

怎麼知道沒有漏掉別的解?

說「這些都是解」還不夠,還要說「沒有別的解了」。這一段用一個小技巧,把任意解逼成同一個樣子。

只驗證「每個 Ceˣ 都是解」,還不足以證明「每個解都長這樣」。後者需要反過來:假設 y 是任意一個可微的解,看看它被方程限制成什麼形式。

  1. 從原方程出發。y′−y 在考慮的連通區間內處處為 0。

    y′ − y = 0
  2. 觀察 y 與 e⁻ˣ 的乘積。用乘積微分與鏈鎖律求導。

    (e⁻ˣy)′ = −e⁻ˣy + e⁻ˣy′
  3. 提出共同因子,代入原方程。

    (e⁻ˣy)′ = e⁻ˣ(y′−y) = 0
  4. 導數處處為 0,函數在該區間是常數。這使用微積分中由均值定理得到的結果。

    e⁻ˣy = C
  5. 乘上 eˣ,解出 y。eˣ 永不為 0,這一步不會漏掉零解。

    y = Ceˣ

所以 Ceˣ 包含這個方程在連通區間上的所有可微解,稱為它的通解。本例的公式可延伸至整條實數軸。

複習:為什麼乘積微分會有兩項?

若 u 和 v 都隨 x 變,乘積的微分是 (uv)′=u′v+uv′。不能只對其中一個因子求導。

這裡 u=e⁻ˣ、v=y;鏈鎖律給出 u′=−e⁻ˣ,因此兩項恰好組成 e⁻ˣ(y′−y)。這個乘上 e⁻ˣ 的想法,之後會發展成「積分因子」。

03 / 指定曲線必經的一點

方程給規則,初始條件給位置。

方程說「怎麼變」,初始條件說「從哪裡出發」。在 y′ = y 這個例子,兩者一起選出唯一曲線。

y(0)=2 表示:在 x=0 的位置,函數值必須等於 2。圖像上就是曲線必須通過點 (0,2)。

把微分方程和這個條件放在一起,就得到一個初始值問題:

y′ = y, y(0) = 2
  1. 先寫出通解。

    y(x) = Ceˣ
  2. 把 x=0 代入。注意 y(0) 是函數在 0 的值,不是 y 乘 0。

    y(0) = Ce⁰ = C
  3. 要求這個值等於 2。

    C = 2
  4. 把常數放回函數。

    y(x) = 2eˣ

這條已選定常數的解,可以稱為此初始值問題的特解。它需要同時通過兩個檢查:符合變化規則,也通過指定初始點。

檢查方程

y′=2eˣ=y
在每個 x 都成立。

檢查初始條件

y(0)=2e⁰=2
通過指定的 (0,2)。

例如 3eˣ 也符合方程,但它在 x=0 時等於 3,因此不是這個初始值問題的解。

04 / 推廣同一個計算

把初始位置也留成一個符號。

起點不一定在 x = 0。把它寫成符號 (x₀, y₀),一條公式就涵蓋所有起點。

初始條件不一定在 x=0 給出。用 x₀ 表示已知的位置,y₀ 表示那裡的高度,寫成 y(x₀)=y₀。下標 0 用來標記初始資料,不表示兩個值都是零。

  1. 將初始位置代入通解。

    y₀ = Cex₀
  2. ex₀ 永不為零,可以除過去。

    C = y₀e−x₀
  3. 代回 y=Ceˣ,合併指數。

    y(x) = y₀ex−x₀

x−x₀ 表示相對於初始位置走了多遠。把 x 換回 x₀,指數變成 0,函數自然回到 y₀。

完整例子:y(1)=−2

此時 x₀=1、y₀=−2,所以 C=−2/e,得到:

y(x) = −2ex−1

求導時,x−1 的導數是 1,因此 y′=−2ex−1=y;再代入 x=1,得到 y(1)=−2e⁰=−2。兩項都通過。

這個初始位置在互動滑桿範圍之外,卻同樣適用。滑桿範圍是顯示選擇,不是公式的適用範圍。

回到互動:先把 y₀ 改成負值,觀察曲線所在位置;再設成 0。最後固定 y₀,只改 x₀,看看 C 如何調整,讓曲線始終穿過初始點。

05 / 結論有多大

這一題唯一,不代表每一題都唯一。

這一題答案唯一,是因為我們證明了;不是因為「一個常數配一個條件」就自動成立。

對 y′=y,我們已證明所有解都是 Ceˣ;而 y(x₀)=y₀ 又唯一決定 C=y₀e−x₀。所以對任何實數初始點,這一題都有唯一的全域解。

這是本例的證明。一般微分方程需要另外檢查存在與唯一性的條件,不能只數「一個常數、一個條件」就保證結論。

一個初始條件,可能仍有兩種走法

考慮 y′=3y2/3,其中 y2/3=(∛y)²,並要求 y(0)=0。

y=0 的兩邊都是 0;y=x³ 的導數是 3x²,而右邊 3(∛x³)²=3x²。兩個函數也都通過 (0,0),卻是不同的解。

因此「指定一個初始點」這件事本身,沒有保證唯一。這個例子的右側對 y 的變化在零附近不滿足常用唯一性定理所需的局部 Lipschitz 條件;條件與定理會在後續主題細談。

「特解」這個詞,之後還會出現另一種用法

在這裡,它指通解中選定常數、符合初始條件的一條解。之後談非齊次線性方程時,particular solution 也常譯作「特解」,意思是先找到任何一個符合非齊次方程的解,不一定已滿足指定初值。屆時會連同上下文說清楚。

06 / 方程與初值分別檢查

先想常數,再檢查整條函數。

先把常數 C 算出來,再把整條函數代回去檢查——兩步都要做。

1. y′=y,y(0)=−1,解是什麼?

看完整推理

由 y=Ceˣ 得 y(0)=C=−1,因此 y=−eˣ。導數是 −eˣ,符合方程;在 0 的值是 −1,符合初始條件。

2. y′=y,y(1)=2,能直接寫 y=2eˣ 嗎?

看完整推理

不能。把 x=1 代進通解,得到 Ce=2,所以 C=2/e,解為 y=2ex−1。若寫成 2eˣ,在 x=1 時會得到 2e,不是指定的 2。

3. 初始高度是 0,之後會自己離開零嗎?

看完整推理

對這頁的 y′=y,不會。任何 x₀ 都給 C=0,唯一解是 y=0。這個結論依賴目前方程;上一節的非唯一反例正好提醒我們,不能把它套給所有方程。

我們已知道規則,也選定了起點。下一頁先把完整公式放在一旁,只看每個點的斜率:局部方向能不能引導出整條曲線?

核對與延伸

來源與範圍

這三頁以一個自變數的常微分方程為主,使用無因次的數學例子。畫面只顯示有限區域;曲線離開畫面,不代表解在那裡終止。

圖像幫助觀察,代回運算才檢查例子是否滿足方程。存在與唯一性的一般理論、更多解析解法,留在後續主題詳細展開。