二階線性方程:非齊次
非齊次方程(nonhomogeneous equation)
想像一個盪鞦韆的孩子。如果你放手只是看著,鞦韆會落入自己的自然運動——這是齊次(無外力)的情形。但如果有人持續有節奏地推鞦韆,你就加入了外來影響:一個外力(forcing)。非齊次方程就是把這個外來推力寫進去的模型。
具體來說,二階線性方程的形式是 a(x) y'' + b(x) y' + c(x) y = g(x)。當右邊 g(x) 恰好為零時,方程稱為齊次;當 g(x) 為任何非零的東西時,就是非齊次。這個 g(x) 就是外力函數(forcing function)——這一項完全不依賴 y 或它的導數,而是由外部給定。把首項係數除掉之後,標準形式為 y'' + p(x) y' + q(x) y = g(x)。
「非齊次」這個詞只是標記「有一個非零的右邊」。這之所以重要,是因為整個求解策略一分為二:先理解無外力的系統(它的齊次解),再找一個能應付外力的解。幾乎每個應用模型——由電壓源驅動的電路、被外力推動的質量、受荷載的梁——都是非齊次的,所以這往往就是你實際面對的方程。
y'' + 4y = 3 cos(x) 是非齊次的:右邊 3 cos(x) 非零。把外力拿掉就得到齊次方程 y'' + 4y = 0,其解為 c1 cos(2x) + c2 sin(2x)。
右邊非零,就是齊次與非齊次之間的全部差別。
不要把這裡的「非齊次」和一階中無關的「齊次次數」方程(其中 f(tx, ty) = f(x, y))混淆——同一個字,意義完全不同。
又稱
另見