一階方程:恰當方程與代換

恰當方程(exact equation)

想像你站在山坡上,有人給你一些細小的指示:「往東走一小步,你的高度變化這麼多;往北走一小步,變化那麼多。」如果這兩個指示彼此一致——如果它們真的來自同一片地形——那麼背後就藏著一個高度函數,你也能把自己正在行走的等高線重建出來。恰當方程正是微分方程版本的這個情境:方程其實在告訴你,要待在某個隱藏函數的等位曲線上。

具體來說,寫成 M(x, y) dx + N(x, y) dy = 0 形式的一階方程,若其左側恰好是某個單一函數 F(x, y) 的全微分(total differential),即 dF = M dx + N dy,就稱為恰當方程。這要求 F 對 x 的偏導數等於 M,F 對 y 的偏導數等於 N。當此成立時,整個方程其實就是說 dF = 0,於是 F(x, y) = C 便是隱式解:解曲線就是 F 的等位曲線。

為何重要?因為一旦你認出方程是恰當的,求解幾乎是機械式的——不必分離變數、不必積分因子、不必猜測。問題在於大多數方程寫出來時並不恰當。所以真正的本領是一個快速的恰當性判別,再加上一個技巧(積分因子),用來修補那些差一點就恰當的方程。

考慮 (2xy) dx + (x^2 + 1) dy = 0。這裡 M = 2xy,N = x^2 + 1。隱藏函數原來是 F(x, y) = x^2 y + y,因為 partial F / partial x = 2xy = M,partial F / partial y = x^2 + 1 = N。所以解是 x^2 y + y = C,也就是 y = C / (x^2 + 1)。

恰當方程歸結為 dF = 0,所以答案就是等位曲線 F = C。

恰當性取決於方程寫成什麼形式:兩邊乘上一個函數,可能使恰當方程變得不恰當,反之亦然。積分因子正是利用這份自由度。

又稱
exact differential equation恰當微分方程