線性常微分方程:高階與方程組

疊加原理(superposition principle)

往平靜的池塘裡丟兩顆石子,漣漪圖樣就是兩個單顆石子圖樣直接相加——它們彼此穿過而不改變。這就是疊加,也是線性問題之所以可解的最深層原因:對不同起因的響應直接相加,於是你可以一次處理一個起因,再把結果加起來。

對線性齊次方程 L[y] = 0,原理說:若 y_1 與 y_2 都是解,則任意組合 c_1 y_1 + c_2 y_2 也是解。證明只有一行:L[c_1 y_1 + c_2 y_2] = c_1 L[y_1] + c_2 L[y_2] = c_1 (0) + c_2 (0) = 0。對非齊次方程 L[y] = g_1 + g_2,對應的陳述是:你可以分別解 L[y_1] = g_1 與 L[y_2] = g_2 再相加——對強迫項之和的響應,等於各響應之和。

疊加是傅立葉分析背後的工作原理(把複雜的強迫拆成簡單的正弦,逐一求解,再相加),是格林函數背後的原理(用眾多點源響應拼出總響應),也是電路分析與信號處理普遍依賴的原理。它恰恰也是非線性方程所不具備的性質,這正是湍流、激波、大振幅振動困難得多的原因——在那裡你無法把問題拆成彼此獨立的片段。

由於 cos x 與 sin x 都滿足 y'' + y = 0,故 3 cos x - 2 sin x 也滿足。而要解 y'' + y = e^x + x,可分別解 y'' + y = e^x 與 y'' + y = x,再把兩個特解相加。

線性齊次常微分方程的解可自由組合;對各強迫項之和的響應可疊加。

疊加只對線性方程成立。一旦出現 y^2、y y' 或 sin y 這樣的項就失效——在那裡,兩個解相加並不給出解。

又稱
linear superposition叠加性线性叠加