二階線性方程:非齊次

通解結構定理(general-solution structure theorem)

這裡是統籌整個主題的核心觀念。要解一個受迫的線性方程,你不需要單一的巧妙公式——你需要兩個各自較易處理的部分,然後把它們加起來。這正是結構定理所保證的。

精確地說:y'' + p(x) y' + q(x) y = g(x) 的通解為 y = y_c + y_p,其中 y_c = c1 y1 + c2 y2 是餘解(齊次方程的通解),而 y_p 是受迫方程的任一個特解。為什麼成立?因為線性。若 y_p 與另一個解 Y 都滿足受迫方程,它們的差 Y - y_p 就滿足齊次方程,所以 Y - y_p 必為某個 c1 y1 + c2 y2;重排得 Y = y_c + y_p。於是每個解都被涵蓋,而 y_c 中的兩個任意常數恰好給你滿足初始條件所需的自由度。

這正是兩大求特解方法——待定係數法與參數變易法——值得學的原因:它們各自製造出一個 y_p,定理再組裝其餘部分。它也解釋了物理上的分裂:y_c 是暫態,y_p 是穩態。這定理之所以成立,純粹因為方程是線性的;對非線性方程,你不能這樣把解相加。

對 y'' + y = 2x,一個特解是 y_p = 2x,齊次部分給出 y_c = c1 cos(x) + c2 sin(x)。通解為兩者之和 y = c1 cos(x) + c2 sin(x) + 2x。

通解 = 餘解 + 任一個特解。

任一個特解皆可——兩個人可以寫出外觀不同的 y_p 卻得到相同的解族,因為兩個特解之差只會被吸收進 y_c。

又稱
superposition structurey = y_c + y_p通解 = 餘解 + 特解解的結構定理