一階方程:恰當方程與代換

代換 v = y/x(substitution v = y/x)

這是攻破齊次方程的那個特定變數變換。齊次方程之所以可解,整個原因在於它的斜率只依賴比值 y/x;於是你給那個比值起個名字 v,並把一切以 v 與 x 改寫。新方程總是可分離的。

以下是樸實步驟中的機制。令 v = y/x,意即 y = v x。用乘法律對 x 微分這個乘積:dy/dx = v + x dv/dx。把 y = v x 與這個 dy/dx 的表達式都代入齊次方程 dy/dx = f(y/x) = f(v)。得到 v + x dv/dx = f(v),把含 v 的項收攏:x dv/dx = f(v) - v。這分離為 dv/(f(v) - v) = dx/x——純粹的分離變數。兩邊積分,再把 v 換回 y/x,便回到原變數。

這技巧值得內化,因為它是所有代換法的範本:認出方程真正依賴的那個單一組合,給它命名,方程便塌縮成你早已會解的東西。同樣的直覺把白努利方程化為線性,並在已知一個解後化簡黎卡提方程。

對 dy/dx = (x^2 + y^2)/(xy),分子分母同除 x^2 得 (1 + (y/x)^2)/(y/x)。以 v = y/x 即 (1 + v^2)/v,而 v + x dv/dx = (1 + v^2)/v 給出 x dv/dx = 1/v,即 v dv = dx/x。於是 v^2/2 = ln|x| + C,再得 y^2/(2x^2) = ln|x| + C。

把比值命名為 v,對 y = vx 微分,一個可分離方程便掉出來。

別忘了乘法律那一項:dy/dx 是 v + x dv/dx,而非只有 dv/dx。漏掉 x dv/dx 這一塊,是這個方法中最常見的錯誤。

又稱
y = vx substitutionratio substitutionv = y/x 代換