一階方程:可分離與線性
直接積分(direct integration)
直接積分是還原導數最基本的方法:若你知道 y',就只要積分來找出 y,並為導數丟掉的資訊補上一個任意常數。它是最簡單的常微分方程核心的那個單一動作,也就是你在第一學期微積分遇到的同一個反微分,如今被看作解一個方程。
機制正是微積分基本定理的反向運行。給定 y' = f(x),你計算一個反導數 F(x),使 F'(x) = f(x),那麼每個解都是 y = F(x) + C。任意常數 C 之所以出現,是因為微分抹去常數——無窮多條曲線有相同的斜率函數,只差一個垂直平移,而 C 標示你指的是哪一條。若你還有初始條件 y(x_0) = y_0,代入解出 C,就選定通過該點的那一條曲線。你也可以用定積分寫答案,y(x) = y_0 + 從 x_0 到 x 的 f(s) ds 的積分,它自動把初始條件內建進去。
直接積分是純時間方程背後的主力,也是幾乎所有其他方法的最後一步——分離以兩次積分收尾,積分因子配方以一次積分收尾。誠實的限制承襲自微積分本身:許多看似無害的函數沒有可用初等形式表示的反導數(e^(-x^2)、sin(x)/x、e^x/x),所以「用直接積分求解」有時意味著「把答案留作一個積分」或以數值方式求值。方程是解開了;只是那個積分可能根本沒有封閉形式。
解 y' = cos x + 4x^3。逐項反微分:y = sin x + x^4 + C。若 y(0) = 5,則 sin 0 + 0 + C = 5 得 C = 5,於是 y = sin x + x^4 + 5。
反微分、接上常數 C,再由初始條件釘住 C。
千萬別忘了 +C:漏掉它就只得到整個家族中的一條曲線,你將無法滿足一般的初始條件。
又稱
另見