一階常微分方程與定性理論

克萊羅方程(Clairaut equation)

/ clair-OH /

克萊羅方程是看奇解憑空冒出來的最乾淨的地方,它有一種奇特的自指模樣:函數用它自己的導數來表達。它是教科書式的例子——通解是一族直線,可偏偏還有一個額外的、彎曲的解,族中沒有任何一條直線等於它——那條它們全都貼合的包絡。

它的形式是 y = x*(dy/dx) + g(dy/dx)——未知 y 等於 x 乘以它的斜率 p = dy/dx,再加上同一斜率的某個函數 g。求解方法是對整個方程關於 x 求導。消去後剩下一個等於零的乘積,分成兩種情況。第一種令 dy/dx 等於一個常數;回代得通解 y = C*x + g(C),一族單參數直線(每個斜率 C 對應一條直線)。第二種正是給出奇解的那個:它迫使一個關係,與原方程聯立後描出所有這些直線的包絡——一條與每條直線相切、卻不屬於任何一條的單一曲線。

克萊羅方程作為求解配方的意義較小,作為兩個誠實微妙之處的典範例證則意義更大:「通解」未必包含每一個解,以及存在唯一性定理的保證恰恰在包絡上失效——那裡利普希茨條件不成立。它在幾何與光學中也確實出現——光線的包絡(焦散)和直線族的包絡都來自克萊羅型關係。它是「求解的代數」與「包絡的幾何」之間的橋樑。

y = x*p + p^2,其中 p = dy/dx(這裡 g(p) = p^2)。通解是直線族 y = C*x + C^2。奇解是包絡 y = -x^2/4,一條與族中每條直線都相切的向下拋物線。

求導分裂出一族直線(通解)及其包絡(奇解)。

不要把這裡的克萊羅方程(一階常微分方程)與克萊羅關於混合二階偏導相等的定理混淆——那是同一位亞歷克西·克萊羅的另一項結果。同名,兩件不相干的事。

又稱
Clairaut's equation克莱罗微分方程克萊羅微分方程