積分因子解法步驟(integrating-factor solution recipe)
積分因子解法步驟是解任何一階線性方程的固定、可靠的清單。每次都是同樣的四個動作,這也是一階線性方程如此可靠的部分原因:你不必發明技巧,只要執行程序。
第一步:把方程寫成標準形 y' + p(x) y = q(x),若 y' 的係數還不是 1 就整個除過去。第二步:計算積分因子 mu(x) = e^(p(x) 的積分)(任一反導數;不需常數)。第三步:把整個方程乘以 mu,認出左邊是導數 (mu y)',於是方程讀作 (mu y)' = mu q(x)。第四步:對兩邊積分得 mu y = (mu q 的積分) + C,再除以 mu 把 y 孤立出來:y = (1/mu)((mu q 的積分) + C)。那個 C 是通解唯一的任意常數;若你有初始條件,代入就能釘住 C。
這個配方之所以有價值,是因為它完整且無條件:只要 p 與 q 在某區間上連續,它就在該區間上給出通解,沒有特例、不用猜。它的痛點在第三步的積分——mu q 的積分可能沒有初等反導數(例如 q 是高斯型項時),這時配方仍給出答案,但只能寫成一個你可能得用數值方法求值的積分。方法在原則上總是有效;但所得的積分未必能以封閉形式表示。
解 y' + 2 y = e^(-x),y(0) = 1。已是標準形;mu = e^(2x)。乘上:(e^(2x) y)' = e^(2x) e^(-x) = e^x。積分:e^(2x) y = e^x + C,於是 y = e^(-x) + C e^(-2x)。代入 y(0) = 1:1 = 1 + C 得 C = 0,所以 y = e^(-x)。
四個動作:標準化、造 mu、積分 (mu y)' = mu q、再除回去——然後用初始條件釘住 C。
配方只在第四步處理積分常數一次——絕不要在 mu 上另外加常數。若最後的積分沒有初等形式,可保留為 mu q 的積分;那仍是有效答案。