一階常微分方程與定性理論

一階齊次方程(homogeneous first-order equation)

這裡的「齊次」含義相當特定、也容易誤讀:指右邊只依賴比值 y/x、而不分別依賴 x 和 y 的方程。這樣的方程是尺度不變的——把 x 和 y 同時放大同一倍數,方程看起來一模一樣。正是這種對稱性,被一個巧妙的代換所利用,把它化為你能積分的可分離方程。

形式上,dy/dx = f(x, y) 在此意義下是齊次的,若 f(x, y) 可寫成僅含 y/x 的函數——等價地,若對每個縮放因子 t 都有 f(t*x, t*y) = f(x, y)。代換 v = y/x(於是 y = v*x,由乘積法則 dy/dx = v + x*dv/dx)把方程化為 x*dv/dx = f(v) - v,它關於 v 與 x 可分離:分離、積分,再把 v 換回 y/x。它之所以奏效,幾何核心在於尺度對稱——沿從原點出發的任一射線,斜率場是恆定的,所以天然坐標就是比值 v = y/x。

這類方程出現在任何沒有內稟長度尺度的問題裡,這在幾何中(由角度或比值條件定義的曲線)和物理問題的相似解中很常見,那裡量綱分析把兩個變量併成一個比值。一個關於術語的嚴肅警告:這裡的「齊次」與線性常微分方程理論裡的「齊次」完全是兩回事,後者指驅動項為零(Q = 0)。同一個詞,兩個不相干的含義——由上下文判定指的是哪個。

dy/dx = (x + y)/x = 1 + y/x 只依賴比值 y/x。令 v = y/x 得 v + x*dv/dx = 1 + v,故 x*dv/dx = 1,即 dv = dx/x。積分得 v = ln|x| + C,於是 y = x*(ln|x| + C)。

代換 v = y/x 把尺度不變的方程化為可分離方程。

留意「齊次」一詞——這裡它指尺度不變(依賴 y/x)。在線性常微分方程各章中,它則指「右端為零」(無驅動項)。這兩個義項互不相干;只有上下文能消歧。

又稱
scale-invariant equation齐次型方程齊次型方程