一階方程:可分離與線性

一階線性解的暫態項與穩態項(transient and steady terms)

當一個線性方程描述某物隨時間安定下來時,它的解自然地分成命運迥異的兩塊:一塊會消退,一塊會留存。暫態項是消退的那塊——隨時間增長而死去。穩態項(或穩態)是暫態衰減後所剩下的,系統所趨近的長期行為。

具體地,取 y' + a y = q(t),其中 a 是正常數,q(t) 是強迫。通解為 y = y_p(t) + C e^(-a t)。C e^(-a t) 那一塊是暫態:因為 a 為正,e^(-a t) 縮向零,所以這一項遺忘初始條件並消失。剩下的 y_p(t) 追蹤強迫,是穩態項。若強迫為常數,穩態項是一個常數水平;若強迫是正弦波,穩態項是同頻率的正弦波。所以解一開始帶著其初始狀態的印記(透過暫態),然後鬆弛進一個完全由強迫決定的長期模式。

這個分解正是電路在安定前出現短暫湧波、或受熱物體過衝後趨近室溫的原因:暫態是起點的記憶,穩態是與環境最終的平衡。兩個誠實的提醒:拆成「暫態」與「穩態」假設了齊次部分確實衰減,這需要 a 為正(更一般地,實部為負),使 e^(-a t) 縮小——若 a 為負,「暫態」反而增長,圖像就反轉了。而且在數學上暫態永遠不會在有限時間內恰好歸零;它只是變得可忽略地小,由時間常數 1/a 刻畫。

y' + 2 y = 10,y(0) = 0 的解是 y = 5 - 5 e^(-2t)。穩態項是 5(它爬向的水平);暫態是 -5 e^(-2t),它衰減到在幾倍時間常數 1/2 之後便可忽略。

常數 5 是穩態;指數項是攜帶(然後遺忘)初始條件的暫態。

「暫態」這個標籤只在齊次解衰減時(y 的係數為正)才有意義。若齊次部分增長,長期行為由它主導,而非由強迫主導。

又稱
transient and steady-state response暫態與穩態