二階線性方程:齊次

降階法(reduction of order)

假設你已知道二階方程的一個解,也許是猜出來的,也許來自一張表,但你需要第二個、無關的解才能補全圖像。降階法是一套系統化的配方,把第二個解從第一個裡擠出來,將困難的二階問題化為容易的一階問題。

竅門是尋找形如 y2 = v(x) y1(x) 的第二個解,其中 y1 是已知解,v(x) 是待求函數,你讓未知的乘子 v 承載新資訊。把 y2 = v y1 代入 y'' + p y' + q y = 0。因為 y1 本就滿足方程,所有不含 v 的導數的項都抵消,連 v 那一項本身也消失;存留下來的是只含 v'' 與 v'、沒有純 v 的方程。這正是重點所在:令 w = v',它便化為關於 w 的一階線性方程,你用積分因子解它,再積分一次得到 v。具名的結果是 v' 正比於 (1/y1^2) e^(-integral of p dx),故 y2 = y1 乘以該式的積分。

降階法是好幾個重要結果背後的主力。重根的第二個解 x e^(r x) 正是這樣推導出來的。它也是為已知一個解的變係數方程(例如解來自級數或幸運的猜測)尋找配偶解的標準方法。而且它在結構上顯示,為何一個已知解確實是「成功的一半」:剩下的工作只是一階的。難處在於你必須先擁有一個非零的解作為起點,降階法是擴展一個立足點,而非無中生有地造出一個。

對 y'' - 6 y' + 9 y = 0,已知解 y1 = e^(3x),設 y2 = v e^(3x)。降階後的方程化為 v'' = 0(因 p = -6,e^(-integral p) 因子與 1/y1^2 合成一個常數),故 v = x,y2 = x e^(3x),重現了重根的第二個解。

代入 y2 = v y1,把二階方程降為關於 v' 的一階方程,此處恰好是 v'' = 0。

降階法需要你已知的一個解;它無法從零生出第一個解。也記得在套公式讀取 p 之前,先把方程化為標準形式 y'' + p y' + q y = 0(首項係數為 1)。

又稱
d'Alembert reductionsecond solution from a known one降階