二階線性方程:非齊次
外力項的疊加(superposition of forcing terms)
假設一個電路同時被兩個源驅動——一個穩定的電池加上一個振盪訊號。你可以試著一次處理那雜亂的合成外力,但線性提供了更簡單的辦法:對每個源分別求解,再把答案相加。這就是外力項的疊加,是方程為線性的一個省力推論。
精確地說:若 g(x) = g1(x) + g2(x),且 y_p1 是 y'' + p y' + q y = g1 的特解,y_p2 是 y'' + p y' + q y = g2 的特解,則 y_p1 + y_p2 是外力為 g1 + g2 的合成方程的特解。這成立是因為算子 L[y] = y'' + p y' + q y 是線性的:L[y_p1 + y_p2] = L[y_p1] + L[y_p2] = g1 + g2。所以複雜的右邊可以拆成幾塊,每塊用適合它的方法處理。
實務上,當 g 有好幾種不同形狀時——比如 g = 3e^(2x) + 5 sin(x)——這正是讓待定係數法保持整潔的辦法。不要用一個龐大的試解,而是分別為 e^(2x) 部分和 sin(x) 部分求 y_p,再相加。它也澄清了建模:每個物理輸入貢獻自己的響應,總響應就是它們的和。記住這裡疊加的是「外力」;你仍然只在最後把單一的餘解 y_c 加上一次。
對 y'' + y = 4 + 2 sin(x):解 y'' + y = 4 得 y_p1 = 4,再解 y'' + y = 2 sin(x)(一個需要 x 規則的共振情形)得 y_p2 = -x cos(x)。合成特解為 y_p = 4 - x cos(x)。
拆開多部分外力,分別求解每塊,再把特解相加。
疊加適用於同一個線性方程的「外力」;它不允許你把兩個不同方程的解相加,也絕不適用於非線性方程。
又稱
另見