數學 · 常微分方程 · 11

積分因子Integrating factors

能不能乘上一個函數,讓 y′ 和 y 兩項合成一次微分?

積分因子不是一個要另外背熟的魔法。它是乘積微分中缺少的那一項,反過來告訴我們應該乘什麼。

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先判斷,這個方法適不適合。

接續一階線性方程。用到乘積微分與基本積分;本頁先把符號和操作對上,再推導一般公式。

辨認形式

能在選定區間寫成 y′+p(x)y=q(x),而 p、q 連續,就能用這裡的一階線性積分因子。

先檢查限制

除掉 y′ 的係數前,先排除它為零的位置。含 y² 的式子不能直接套這個線性公式。

不只一條路

y′+3y=6 也可分離變數。本頁練習會比較兩條路,並保留分離時容易漏掉的平衡解。

乘上 x、x² 或 x³,哪個真的湊成乘積?

固定 xy′+2y=x²、y(1)=1,先在 x>0 除以 x,得到 y′+(2/x)y=x。

μ(mu)是準備乘上的函數;試 μ=xᵏ,k 是所選的次方。標準式中的 p=2/x、q=x;撇號 ′ 一律表示對 x 微分。

先猜一次:乘積法則會多出 μ′y。要讓它和方程裡的 μ(2/x)y 相同,你會選哪個次方?

兩式的第一項相同。比較底線標出的第二項,就知道差在哪裡。

乘積法則實際給出
(xy)′ = xy′
+ y
把標準式左側乘上 μ
x(y′+2y/x)
= xy′ + 2y

實際乘積微分 − 方程乘因子:−y。第二項少了一個 y。

實際的 (μy)′(實線)希望得到的 μq=μx(虛線)
標準式 y′+(2/x)y=x。μ=x² 時,(x²y)′=x³;若乘 x,(xy)′ 比 x² 少了 y。
為了畫出數值,這裡代入後文驗證的解 y=x²/4+3/(4x²)。畫的是兩個導數值,不是 y 本身;k=2 時兩線重合。上面的乘積法則對照才說明為什麼對任意可微 y 都成立。
x=2 的差值
是否整段相合

從乘積法則反問一次

積分因子的想法很單純:整條式子乘上一個函數,讓左邊剛好變成某個乘積微分後的樣子。

先在一個開區間 I 上考慮 y′+p(x)y=q(x),並假設 p、q 連續。希望找一個可微且處處非零的函數 μ(x),使乘過去的左側正好是 (μy)′:

μy′ + μpy = μq

但乘積法則給的其實是

(μy)′ = μy′ + μ′y

兩式的 y′ 項已相同;要讓 y 的係數也相同,必須要求 μ′=pμ。這是我們選擇 μ 的方程,不是假定某一條 y 的特殊形狀。

  1. 先選一個 p 的原函數

    P(x) = ∫xx₀ p(s) ds

    s 是積分內的虛變數,避免把積分上限 x 與被積變數混在一起。P′=p。

  2. 讓指數的微分帶出 p

    μ(x) = eP(x)
    μ′ = P′eP = pμ

    指數處處為正,所以這個選擇不會把原本的方程乘成 0,也可以安全除回去。

  3. 把整體當成一次微分

    (μy)′ = μq

    已知右側就能積分。真正簡化的是微分結構,不一定是積分的外觀。

把初始條件直接放進定積分

把初始條件直接寫進定積分,解和它的有效範圍就一起確定了。

使用上面以 x₀ 為起點的 P,有 μ(x₀)=1。將 (μy)′=μq 從 x₀ 積到 x,微積分基本定理給出

μ(x)y(x) − y₀= ∫xx₀ μ(s)q(s) ds
y(x) = e−P(x)× [y₀ + ∫xx₀ eP(s)q(s) ds]x₀∈I,y(x₀)=y₀;p、q 在 I 上連續。

任一 x∈I 與 x₀ 之間都是 I 內的有限閉區段,連續被積函數在其上可積。因此公式在整個 I 有定義。微分公式得到原式,代入 x=x₀ 得到初值;若兩解同初值,其差 w 使 (μw)′=0 且 w(x₀)=0,所以 w=0。這也說明了唯一性。

也常寫 μ=e∫p dx,再用不定積分求 μy=∫μq dx+C。算 μ 時可以省略積分常數:任何固定非零倍數 Kμ 都能用,左右與積分常數一起縮放後,得到同一解族。K=0 不行,它會把資訊全部抹掉。

完整例題:xy′+2y=x²,y(1)=1

完整算一次:選區間、算因子、乘開、積分、代初值、最後代回檢查。

  1. 先選含初始點的區間

    x > 0;y′ + (2/x)y = x

    除以 x 前先排除 x=0。取 I=(0,∞),p=2/x 與 q=x 都連續。

  2. 算出因子並逐項相乘

    μ=e∫(2/x) dx
    =e2ln x=x²

    標準式乘 x² 後是 x²y′+2xy=x³。注意:是對標準式乘因子,不是跳過除以 x 這一步。

  3. 辨認乘積並積分

    (x²y)′=x³ ⇒ x²y=x⁴/4+C

    左側由乘積法則直接驗證。右側積分後不要忘記常數。

  4. 解出 y 與常數

    y=x²/4+C/x²
    1=1/4+C ⇒ C=3/4

    得到 y=x²/4+3/(4x²)。這條初值解的區間是 (0,∞)。

  5. 回到未除法的原方程驗算

    y′=x/2−3/(2x³)

    xy′+2y=(x²/2−3/(2x²))+(x²/2+3/(2x²))=x²兩個倒數項相消,且 y(1)=1。

在負半軸,也可用 μ=x²,因為 e2ln|x|=x²。但這是另一個區間上的求解;不能把穿過零的兩段視為同一個初值問題。對本題初值,3/(4x²) 在零附近發散,確實無法延伸過去。若改成 y(1)=1/4,C=0 的特殊解 x²/4 則能滿足原式跨過零;正常化的禁點與原式的可延伸性要分開檢查。

為什麼不能隨便挑一個因子?

因子不能亂挑。挑錯時左邊會差一項,那一項不會自己消失。

對任意可微 μ,兩邊的差不是一句「看起來像」就能忽略:

(μy)′ − μ(y′+py)= (μ′−pμ)y

上圖的 p=2/x。若 μ=xᵏ,缺口為 (k−2)xk−1y。只有 k=2 能對任意 y 把它變為零。在一個點差值碰巧為零,也不足以證明整段的恆等式。

另外,∫p(x)y(x) dx 不能把未知的 y 當常數提出;p 與 y 一般都隨 x 變。積分因子的價值,正是在積分以前先把這個麻煩改寫掉。

練習:求因子,也檢查除法

求出因子只做完一半;另一半是檢查你除掉的東西,有沒有順手把某條解也除掉。

1. 先選法:y′+3y=6,y(0)=0,可以走哪兩條路?

先看一個提示

一方面 p=3、q=6;另一方面也能寫成 y′=3(2−y)。如果要除以 2−y,先想想哪一條解會被排除。

看完整推理

μ=e³ˣ,(e³ˣy)′=6e³ˣ。積分得 e³ˣy=2e³ˣ+C,故 y=2+Ce⁻³ˣ。初值 C=−2,所以 y=2(1−e⁻³ˣ)。代回得到 6,初值為 0,I=ℝ。

也可整理成 y′=3(2−y) 再分離。先保留平衡解 y=2;對 y≠2 積分得到 −ln|2−y|=3x+C₀,還原固定符號後同樣得到 y=2+Ce−3x。初值選出 C=−2。兩個方法給同一初值解;若改成 y(0)=2,分離時保留的平衡解就不可省略。

2. y′−y/x=1 在 x<0 的積分因子與通解?

先看一個提示

先算 p=−1/x 的原函數,保留 ln|x|。負半軸上的 1/|x| 和 1/x 只差哪個非零常數?

看完整推理

e−ln|x|=1/|x|。在負半軸可改乘非零常數 −1,選更方便的 μ=1/x。於是 (y/x)′=1/x,積分為 y/x=ln|x|+C,所以 y=x(ln|x|+C),I⊂(−∞,0)。這和比例代換的結果相同。

3. y′+2xy=1、y(0)=0,如果積分沒有初等式就沒有解嗎?

先看一個提示

先用乘積法則得到 (ex²y)′=ex²,再從 0 積到 x。定積分本身能不能定義一個函數?

看完整推理

μ=ex²,精確解 y=e−x²∫x0 es² ds。設積分為 H,則 H′=eˣ²,y′=−2xy+1;初值也為 0。因此它在 ℝ 是唯一解。寫成定積分與是否存在解是不同問題。

公式中的兩項,各自帶著什麼訊息?

公式算出來之後,還可以再問一句:這兩項各自在說什麼?

初值項與積分項已經出現了。接下來把它們放進一個有單位的冷卻模型,看初始差異如何消退、環境輸入如何持續影響結果。

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。