高階線性方程與微分算子

高階參數變易法(variation of parameters at higher order)

待定係數法與消去算子法很快,但它們只處理一份簡短的外力菜單——多項式、指數、正弦與餘弦。當外力是 sec x、ln x 或 1/x,或當係數變動以致根本沒有特徵多項式時,你該怎麼辦?參數變易法是萬用工具,無論外力為何,總能從齊次解造出一個特解。在高階它的運作與二階完全相同,只是部件更多。

想法是:從齊次方程的一組基本解系 y1、...、yn 出發,其通解為 c1 y1 + ... + cn yn。現在讓常數變動——把每個 ck 換成函數 uk(x)——並尋求特解 y_p = u1 y1 + ... + un yn。這是每個解一個未知數、共 n 個未知數,所以你需要 n 個方程。這個構造施加 n-1 個方便的條件(uk 的導數,以 yk 及其導數加權,在每一階直到 n-2 都抵消),加上最後一個方程:最高階導數須滿足 L[y_p] = g。合起來給出關於 u1'、...、un' 的線性系統,其係數矩陣恰是朗斯基矩陣。求解(例如用克拉默法則)給出每個 uk' 為行列式之比,積分回去復原 uk。組裝 y_p。

參數變易法之所以重要,是因為它具普遍性:它只需要一組基本解系與一個可積的外力,所以涵蓋了快速方法做不到的情形,並且也適用於變係數。誠實的代價是實在的。公式留給你的積分可能無法以閉式完成——參數變易法保證特解為一個積分,但未必是初等的——而高階的記帳、n 個方程加一整個朗斯基行列式,相當繁重。能用快速方法時就用;用不了時才取參數變易法。

對 y'' + y = sec x,待定係數法失效(sec x 沒有消去算子)。取 y1 = cos x、y2 = sin x,朗斯基行列式為 1,參數變易法給出 u1' = -sin x sec x 與 u2' = cos x sec x = 1,故 u1 = ln|cos x|、u2 = x。於是 y_p = cos x ln|cos x| + x sin x。

參數變易法能處理任何外力,代價是可能非初等的積分。

要在標準形式下(首項係數為 1)套用公式:若你忘了先把 a_n(x) 除掉,餵入朗斯基行列式之比的外力就錯了,y_p 會被錯誤地縮放。

又稱
nth-order variation of parametersgeneral variation of parametersn 階參數變易法參數變異法