二階線性方程:齊次

常係數方程(constant-coefficient equation)

在所有線性微分方程中,係數為純數字(而非隨 x 變化的函數)的那些,是基礎應用裡最容易、也最常見的。剛度固定的彈簧、電阻與電容固定的電路、衰變率固定的放射性衰變:每一個都由常係數方程建模,而每一個都能用單一的代數捷徑完整求解。

常係數二階方程具形式 a y'' + b y' + c y = g(x),其中 a、b、c 是固定的實數(a 不為零)。在齊次情形 g(x) = 0 下,係數的恆定正是使指數猜測 y = e^(r x) 奏效的原因:因為對 e^(r x) 求導不過是乘上常數 r,代入便把整個方程化為代數的特徵方程 a r^2 + b r + c = 0。解那個二次式、讀出它的根,三種情形(相異實根、重根、複根)便直接給出通解。無需積分變係數、無需級數、無需特殊函數,只要代數與指數。

正因如此,常係數方程是人人最先學會的可解類,也是振動與電路理論的基石:工程師最在乎的系統,往往(至少在一階近似下)具有恆定的參數。但分界很尖鋭。一旦某係數依賴 x,比如 x y'' + y' + x y = 0,指數招數便崩潰,e^(r x) 不再是解,你必須改用全然不同的工具(降階法、柯西-尤拉代換、冪級數或數值方法)。常係數是個特殊的、有福的情形,而非一般的法則。

y'' + 4 y = 0 是常係數的(a = 1,b = 0,c = 4)。其特徵方程 r^2 + 4 = 0 給出 r = ±2i,故 y = c1 cos(2x) + c2 sin(2x),無阻尼振盪。相對地,x^2 y'' + x y' - y = 0 是變係數的,需要不同的方法。

常係數使指數猜測把常微分方程化為一個可解的代數方程。

必須恆定的是 y、y'、y'' 的係數,右端的強迫項 g(x) 可自由地依賴 x,「常係數」一詞仍然適用。為了用特徵方法,只有左端的算子需要常係數。

又稱
constant-coefficient linear ODE常係數線性方程