數學 · 常微分方程 · 12

暫態與受迫響應Transient and forced response

一段時間之後,系統還記得最初的狀態嗎?

把線性解拆開,不只是為了算得出來。它讓我們分辨:哪些影響來自起點,哪些是外界持續給進來的。

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同一個解,可以按來源,也可以按時間來看。

接續線性解的結構與積分因子。先選想回答的問題,再說明採用哪種拆法。

影響從哪來?

零輸入響應帶著原本的初值;零初值響應描述環境輸入在初值為零時造成的影響。

什麼會留下?

暫態是隨時間消失的部分。本例 k>0,所以初始溫差衰減,長期留下固定的環境溫度。

先限定模型

環境溫度與 k 固定、物體內部近乎等溫。若環境隨時間改變,要回到積分因子公式,不能照搬常數平衡解。

換一種拆法,總溫度會變嗎?

固定 T′=−k(T−20)。T 是物體溫度,T₀=T(0) 是起始溫度,環境 Tₐ=20 °C;t 以分鐘計,k>0 的單位是 min⁻¹。

先猜一次:保留相同的 T₀、k,只切換拆法,綠色總解應該改變嗎?再把 T₀ 改為 10 °C,暫態若是負值,物體會繼續降溫嗎?

T=T₀e−kt+20(1−e−kt)

總溫度(實線)零輸入響應零初值響應
T₀=80、k=0.5 時,T=20+60e−0.5t。
白線固定在 t=4 分鐘,讀值皆以 °C 表示。兩條虛線是數學分量,不是兩個物體的溫度;暫態可為負,表示低於環境的溫差。曲線由理想模型繪製,並非量測資料。
零輸入響應
零初值響應
T(4 分鐘) · °C

時間常數 τ=1/k:。

先讓每一個符號有明確意義

先把每個符號的意思和單位講清楚,算出來的數字才有意義。這裡 T 是溫度、t 以分鐘計。

想像一杯內部溫度已近乎均勻的液體,放進溫度保持不變的環境。我們採用一個理想近似:每分鐘的溫度變化,正比於它與環境的溫差。

dT/dt = −k(T−Tₐ)t:分鐘;T、Tₐ:攝氏溫度;k>0:每分鐘,min⁻¹。

若 T>Tₐ,右側為負,溫度下降;若 T<Tₐ,右側為正,溫度上升。k 的單位乘上溫差後得到 °C/min,和左側一致。這裡假設 k 固定、環境不被液體明顯加熱,且沒有額外加熱器、相變或必須解析的內部溫度梯度。這些是假設,不是由微分方程自己保證的事實。

整理成一階線性標準式:

T′ + kT = kTₐ

左側的 kT 反映溫度本身對變化率的影響;右側 kTₐ 是持續的環境輸入。採攝氏座標時「輸入為零」是把這個項設為零,並不是說熱能消失或達到絕對零度。

從初值到完整的冷卻解

解出來會有兩塊:一塊是最後會停下來的溫度,一塊是會慢慢消失的起始差距。

  1. 用常數環境找一個特解

    Tₚ = Tₐ

    其導數是零,Tₚ′+kTₚ=kTₐ,因此是平衡溫度。

  2. 解零輸入方程

    Tₕ′+kTₕ=0 ⇒ Tₕ=Ce−kt

    也可直接用上一頁的積分因子 ekt 得到同一結果。

  3. 由起始溫度決定常數

    T=Tₐ+Ce−kt
    C=T₀−Tₐ

    於是 T=Tₐ+(T₀−Tₐ)e−kt。正負的溫差都保留,不把加熱到環境溫度的情況排除。

  4. 代回模型與初值

    T′=−k(T₀−Tₐ)e−kt
    =−k(T−Tₐ)

    在 t=0,T=Tₐ+T₀−Tₐ=T₀。物理解讀從 t=0 開始,數學式在所有實數 t 仍有定義。

取 Tₐ=20 °C、T₀=80 °C、k=0.5 min⁻¹,得到 T=20+60e−0.5t。四分鐘後 T≈28.120 °C。若要知道何時降到 30 °C:

10=60e−0.5tt=2ln6 ≈ 3.584 分鐘

計算對象是溫差的比例 10/60;指數中的 kt 必須無單位。不能把沒有基準的 30/80 直接拿來做同一個衰減比例。

兩種拆法,回答的是不同問題

同一條解可以有兩種拆法。拆法不同,回答的問題也不同,但兩種拆法的總和永遠一樣。

拆法一:長期保留下來的量與衰退的差

T = Tₐ + (T₀−Tₐ)e−kt

在 k>0 的假設下,第二項趨近零,因此稱為暫態;本例的常數 Tₐ 是長期平衡。改初值只改變暫態的振幅。

拆法二:初始條件造成的影響與輸入造成的影響

T = T₀e−kt+ Tₐ(1−e−kt)

第一項解 T′+kT=0 且 T(0)=T₀,叫零輸入響應。第二項解 T′+kT=kTₐ 且 T(0)=0,叫零初值(零狀態)響應。圖中選擇「按來源」時,兩條虛線採這種拆法,所以 t=0 時藍線為零,金線帶著全部初值。

第二項明明是輸入造成的,卻也含有一個指數暫態 −Tₐe−kt。這說明「受迫」描述來源,「暫態」描述長期行為;兩個詞不是互斥的分類。

時間常數與容易說過頭的地方

時間常數是「衰減多快」的尺度,不是倒數計時。過一個 τ,差距大約還剩 37%。

定義 τ=1/k,單位是分鐘。過一個 τ,初始溫差剩 e−1≈36.8%;過三個 τ 剩 e−3≈4.98%。它是描述衰減速率的尺度,不是「到 τ 就完成」的倒數計時。

以相對初始溫差的 5% 作標準,所需時間為 t=−ln(0.05)/k,約 2.996τ。若 T₀=Tₐ,從一開始就無溫差;不要再拿零除零計算比例。

齊次解不保證是暫態。對 y′−ay=b、a>0,齊次項 Ceat 成長。對 y′=b,初值差維持常數。剛才的衰退結論依賴 k>0。

特解也不唯一:本例 Tₐ+7e−kt 仍是特解,只是把一段齊次解搬進去了。若輸入隨時間改變,特解可能週期振盪或持續成長;不能見到下標 p 就稱為「穩態常數」。一般連續輸入 u(t) 的零初值響應為 ∫t0 e−k(t−s)u(s) ds,這直接來自積分因子公式。

練習:把單位、符號與分解放在一起

先看溫差的正負號,再決定溫度往上還是往下。別憑印象就說「在冷卻」。

1. 環境 20 °C,物體原為 10 °C,k=0.5 min⁻¹,兩分鐘後多熱?

先看一個提示

先算 T₀−Tₐ 的正負,再代入解。也看一下 T′ 的符號:低於環境時,右側會把溫度往哪裡推?

看完整推理

T=20−10e−0.5t,T(2)=20−10/e≈16.321 °C。T′=5e−0.5t>0,表示升溫。負的初始溫差不表示溫度在下降。

2. k 從 0.25 變成 0.5 min⁻¹,5% 溫差時間怎麼改?

先看一個提示

用剩餘溫差比例 e^(−kt)=0.05 求 t。k 在最後式子的哪個位置?先保留公式再比較兩個數值。

看完整推理

t₅%=−ln(0.05)/k。前者約 11.983 分鐘,後者約 5.991 分鐘,剛好減半。這個結果來自 k 位於分母,且只在同一固定參數模型下比較。

3. 對 y′+y=2,yₚ=2+3e−x 是受迫方程的特解嗎?是純長期部分嗎?

先看一個提示

先代回 y′+y。再看 x 趨向無限時,這個候選中的哪一項消失;滿足方程與只剩長期部分是兩件事。

看完整推理

微分為 −3e−x,加上 yₚ 得 2,所以是特解。它包含會消失的 3e−x,並非只剩長期部分。特解加上任意齊次解仍是特解,分解需說明採用的約定。

當右側也含 y 的冪次

線性很好用,但很多模型的右邊會出現 y²。下一頁用換元把它真的變成線性。

線性結構很有用,但很多模型含 y² 或其他冪次。下一頁不是把它們假裝成線性,而是尋找一個新變數,讓非線性方程真的變成線性。

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。