數學 · 常微分方程 · 06

可分離微分方程Separable differential equations

把兩種變化分開積分,為什麼就能找回函數?

先前只驗證 y′=y 的候選解。現在從方程出發,推導出解族;每次除法都檢查被排除的情況。

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初值改變,解的正負會變嗎?

固定 y′=2xy。先預測負初值能否穿過零,再把滑桿移到正數、負數與零。

精確解(綠色實線)邊界/參考(藍色虛線)
y′=2xy 的解是 y=Ce^(x²)。y(0)=2 時 C=2;C 可為正、負或零,零解需要另外檢查。
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) · 小數近似
解支

可分離,指的是哪兩部分?

如果變化率能拆成「只跟 x 有關的部分 × 只跟 y 有關的部分」,就能把兩邊分開各自處理。

若一階方程能寫成:

y′ = f(x)g(y)f 只依賴自變數 x;g 只依賴應變數 y。此頁 x、y 為無因次數學變數。

就稱為可分離微分方程。y′=y 可看成 f(x)=1、g(y)=y;y′=2xy 則是 f(x)=2x、g(y)=y。變化率雖同時依賴 x 與 y,卻能拆成兩個各自只含一種變數的因子。

y′=x+y 就沒有這種直接的乘積形式,不能「把 x+y 拆兩邊」當成分離。某些方程經代換可以變可分離,但那是後面的另一個步驟。

微積分提醒:鏈鎖律

若 H 的輸入是 y(x),對 x 微分要同時算外層與內層:dH(y(x))/dx=H′(y(x))y′(x)。例如 d(y²/2)/dx=y y′;d ln|y|/dx=y′/y,但後者只在 y≠0 時成立。

分離積分來自鏈鎖律

把 dy 和 dx 搬來搬去看起來像分數運算,但真正的理由是鏈鎖律。這一段把理由補上。

先假設在一段區間內 g(y(x))≠0,且 f、g 在所需範圍連續。取反導函數 H,使 H′(u)=1/g(u),u 只是積分時的暫用變數。

  1. 先除以非零因子

    y′/g(y) = f(x)

    這一步已限制在 g(y) 不為零的解段;不能忘記這個前提。

  2. 把左側認成複合函數的導數

    dH(y(x))/dx = H′(y(x))y′(x) = f(x)

    這就是鏈鎖律。H 的外層導數是 1/g,內層導數是 y′。

  3. 兩側對同一個 x 積分

    H(y(x)) = ∫ f(x) dx + C

    兩側做的是相同運算。左側用微積分基本定理還原 H,C 是一個任意常數。

  4. 以慣用記號書寫

    ∫ dy/g(y) = ∫ f(x) dx + C

    dy 的寫法簡潔地表達代換積分,不需要把 dy/dx 當成普通分數硬消去。

若兩邊各寫一個積分常數,移到同一側後只留下它們的差,仍是一個任意常數。最後不一定能顯式解出 y;得到 H(y)=F(x)+C 也可能已是有用的隱式表示。

先補回可能漏掉的解。每個滿足 g(c)=0 的常數 c 都值得代回:若原式在該處有定義,y(x)=c 的導數為零,右側也為零,所以是平衡解。若唯一性條件失效,還可能有在平衡值停留後才離開的解,不能只列常數解就宣稱已找全。

完整例題:y′=2xy,y(0)=2

完整走一次:分離、積分、用初值定常數、最後代回檢查。四步都做完才算解完。

相較於 y′=y,現在的係數 2x 隨位置改變;我們第一次真的由微分方程求出函數,而不是先知道答案再檢查。

  1. 辨識形式,列出除零情況

    f(x)=2x,g(y)=y;y=0 是解

    初值 2 不在零解上,所以先在包含 x=0 的非零解段計算。

  2. 分離並積分

    y′/y=2x ⇒ ln|y|=x²+C₁

    左側是 ln|y(x)| 的導數;右側積分為 x²。不是把 y 當常數積分。

  3. 還原指數與符號

    |y|=eC₁ex² ⇒ y=Aex²

    e^(C₁)>0;在連通的非零解段上,y 的正負不會突然改變。吸收正負後 A 可以是任意非零實數。

  4. 用初值選常數

    2=Ae⁰ ⇒ A=2

    得到 y=2e^(x²)。零解雖不滿足此初值,仍屬原方程的解族。

  5. 分別驗方程與初值

    y′=4xex² = 2x(2ex²) = 2xy

    鏈鎖律帶出 2x;代 x=0 得 y(0)=2。兩項檢查都不可省。

  6. 交代區間與完整解族

    y=Aex²,A∈ℝ;x∈ℝ

    補回 A=0 的零解。f=2xy 及 fᵧ=2x 處處連續,各初值唯一;每個 y(0) 都由 A 取到,因此此例沒有漏掉穿零或等待分支。

圖中的 2e≈5.436563 是 x=1 的值,小數只是顯示近似。解的解析式 2e^(x²) 本身是精確的。x<0 時,正解的斜率 2xy 為負;x>0 時為正,因此最低點在 x=0。

不是每個右側都能直接分離

除以 y 之前要先問:y 會不會等於 0?被除掉的那一條,常常就是漏掉的解。

y′=x+y 看似只有兩項,卻沒有 y′=f(x)g(y) 的直接分離。把它寫成 dy/(x+y)=dx 再「對 y 積分」時,分母仍含正在變動的 x;你沒有完成上述 H(y) 的構造。

而 y′=y(1−y) 確實可分離,卻不能直接宣布只有積分所得的非零式子。除以 y(1−y) 前先列出 y=0 與 y=1,兩者都要代回。在自治方程頁,我們會利用這兩個平衡值解釋整體走勢。

這提醒我們:可分離不保證積分容易,也不保證積分後能用初等函數解出 y。方法提供結構,還要配合積分、反函數及有效區間的檢查。

從形式辨識,一路做到代回

認形式 → 分離 → 積分 → 定常數 → 代回。中間任何一步有條件,都要寫出來。

1. y′=2xy、y(0)=−1,解及有效區間是什麼?

看完整推理

同樣積分得 ln|y|=x²+C₁,非零解為 Ae^(x²)。初值給 A=−1,所以 y=−e^(x²),在整個實數範圍成立。導數 −2xe^(x²)=2xy,且 y(0)=−1。負號不會因取指數消失。

2. 用分離法,重新求 y′=y、y(0)=3。

看完整推理

先列 y=0;對非零解 y′/y=1,積分得 ln|y|=x+C₁,再合併符號成 y=Aeˣ。y(0)=3 得 A=3,故 y=3eˣ。微分回來仍為 3eˣ,初值也正確,區間為 ℝ。現在知道前面解族 Ceˣ 的由來。

3. y′=(1+x²)(y−3),y(0)=3,除以 y−3 再求常數可行嗎?

看完整推理

不能用那段除法涵蓋此解。先試 y=3:導數 0,右側也 0,且滿足初值。其他解的積分給 y=3+A e^(x+x³/3),A≠0;補回 A=0 後含此零因子分支。因 fᵧ=1+x² 連續,初值 y(0)=3 只選出平衡解。

得到公式,還沒結束

有了公式還不算結束,因為公式可能在某些 x 根本沒有定義。

我們已經有第一套完整解法:辨識乘積形式、保留零因子、用鏈鎖律分離積分、代初值、回原式驗證。下一頁要處理留下的兩件事:沒有解出 y 的等式算不算解?公式可用的最大區間怎麼決定?

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。