二階線性方程:非齊次
修正規則(乘以 x,modification rule)
有時你完全合理的試解,原來是某個齊次解的偽裝。恰好以鞦韆的自然節奏去推它,那個簡單的「同形狀響應」猜測就會失敗,因為那個形狀經過算子作用後會得零。修正規則就是標準的修補:當猜測與某個餘解相撞時,把它乘以 x。
機制如下。假設你想為外力 e^(kx) 求一個特解,但 e^(kx) 已經是 y_c 的一部分(k 是特徵方程的單根)。那麼代入 A e^(kx) 會得 0,而不是外力——沒用。把試解乘以 x:用 A x e^(kx)。若 e^(kx) 是特徵方程的雙根(在 y_c 中出現兩次,作為 e^(kx) 與 x e^(kx)),一個 x 因子不夠;乘以 x^2,用 A x^2 e^(kx)。所以規則是:把試解中相衝突的部分,乘以使修正後的猜測中沒有任何一項仍是齊次解所需的最小 x 次方(x 或 x^2)。
從物理上看,這就是共振在代數中現身。當你以系統自己的自然頻率去驅動它,響應不只是振盪——它像 x 乘以一個振盪那樣增長,這正是規則所產生的 x e^(kx) 或 x sin(wx) 形式。這規則不是要盲目背誦的把戲;它是數學在堅持:共振外力會給出質上更大、增長的響應。代入之前永遠先把猜測與 y_c 比對,這樣你才知道是否需要這個規則。
對 y'' - 2y' + y = e^(x),特徵方程 (r - 1)^2 = 0 有雙根 r = 1,所以 y_c = c1 e^(x) + c2 x e^(x)。樸素猜測 A e^(x) 甚至 A x e^(x) 都已經是齊次解;你必須取 y_p = A x^2 e^(x)。
單純碰撞乘一次 x,重根則乘 x^2。
乘以能消除衝突的最低 x 次方,而非更高次——而且只有相撞的那一項需要這個因子,若其他項沒問題就不必動整個猜測。
又稱
另見