一階方程:恰當方程與代換

齊次(同次數)方程(homogeneous equation)

有些方程看似無望,直到你注意到它只在乎 y 與 x 的比值,而非兩個數值各自分開。想像把一張照片放大縮小:若方程的斜率樣式在每個縮放層級看起來都一模一樣——在原點附近的微小尺度上,與遠處相同——那麼方程就有一種特殊的自相似結構。這就是齊次方程,也是一階理論的第二大代換技巧。

確切地說,當 f 只透過組合 y/x 來依賴 x 與 y 時,dy/dx = f(x, y) 稱為齊次;等價地,寫成 M dx + N dy = 0 時,M 與 N 都是同一次數的齊次函數,意即 M(tx, ty) = t^k M(x, y),N 亦然。因為右側其實是單一比值 v = y/x 的函數,你代入 y = v x(於是 dy/dx = v + x dv/dx)。這總會把方程化成關於 v 與 x 的可分離方程,你再用分離變數法求解,最後以 v = y/x 還原。

當心「齊次」這個詞:在這個一階情境下它意指同次數/只依賴 y/x,這與後來「齊次線性方程」的意思(右側等於零)完全不同。同一個詞,兩個無關的意義——這是一個經典的混淆來源,值得大聲標明。

解 (x + y) dx - x dy = 0,即 dy/dx = (x + y)/x = 1 + y/x。令 y = v x:則 v + x dv/dx = 1 + v,所以 x dv/dx = 1,得 dv = dx/x。積分:v = ln|x| + C。回代 v = y/x:y = x(ln|x| + C)。

只依賴 y/x,所以 v = y/x 把它變成可分離。

此處的齊次(同次數、依賴 y/x)與後文的齊次(線性方程右側為零)是共用一個名字的不同概念。務必依上下文判斷是哪一種意思。

又稱
homogeneous first-order equation齊次一階方程