線性常微分方程:高階與方程組
降階法(reduction of order)
有時你已經知道二階線性方程的一個解,卻需要那個獨立的第二解來補全圖景。降階法正是從第一個解裡擠出第二個解的技術,它把一個二階問題化為一個一階問題——後者通常容易得多。
已知 y'' + p(x) y' + q(x) y = 0 的一個解 y_1,便尋求形如 y_2 = v(x) y_1 的第二解。代入並利用 y_1 本已滿足方程,所有不含 v 之導數的項相消,留下一個關於 v' 的一階方程——階數降了一階。解它給出標準公式 y_2 = y_1 乘以 對 [ e^(-對 p 的積分) / y_1^2 ] 的積分。兩個解自動無關,故 { y_1, y_2 } 是一組基本解。
降階法是若干熟悉結果背後的主力:它解釋了為何重特徵根會產生多出的因子 x(取 y_1 = e^(r x),那個積分給出 x e^(r x)),也是在由級數得到第一個解後求特殊函數方程第二解的標準途徑。它還適用於某些缺少因變量或自變量的非線性方程,那裡代換 p = y' 可直接降階。
x^2 y'' - 3x y' + 4y = 0 有已知解 y_1 = x^2(重根情形)。以 y_2 = v x^2 作降階,得 y_2 = x^2 ln x,補全基本解組 { x^2, x^2 ln x }。
由一個已知解,降階法製造出第二個獨立解。
降階法需要先把方程化為標準形式 y'' + p y' + q y = 0(首項係數為 1)再讀出 p;用未歸一化的 p 是導致第二解錯誤的常見根源。
又稱
另見