變係數線性方程(variable-coefficient linear equation)
有些線性方程的係數是 x 的真正函數,而非固定的數。變係數線性方程是一個一階線性方程 y' + p(x) y = q(x),其中 p(x) 確實隨 x 變化——它不是常數。這是一般情形;常係數線性方程不過是 p 不變的那個特殊、最簡單的切片。
美妙之處在於,積分因子配方不在乎 p 是常數還是變數——它用同樣的四步處理兩者。你仍然形成 mu(x) = e^(p(x) 的積分);唯一的差別是現在你必須積分一個真正的函數 p(x) 而非常數,所以 mu 出來會是像 x^n 或 e^(x^2/2) 這樣的東西,而不是單純的指數 e^(a x)。之後,程序完全相同:整個乘上、認出 (mu y)'、積分、再除回去。例如 y' + (2/x) y = x 有 p = 2/x,給出 mu = e^(2 ln x) = x^2,其餘照搬。變係數也重塑有效區間,因為在 p(x) 不連續之處(如 2/x 在 x = 0),被保證的解區間就結束了。
變係數方程之所以重要,是因為真實世界很少讓參數保持不變——漂移的冷卻率、變化的混合流入、正被調整的電路元件。它們是你看出「使積分因子法奏效的是線性、而非常數性」的自然場景。一個值得記住的誠實對比是:在一階,變係數在原則上並不更難(配方不變)。到了二階及以上,變係數變得真正困難得多——沒有一般公式,你必須轉向冪級數或特殊函數——所以容易的一階情形是個令人慶幸的例外,而非通則。
解 y' + (2/x) y = x。這裡 p = 2/x,所以 mu = e^((2/x) 的積分) = e^(2 ln x) = x^2。則 (x^2 y)' = x^3,積分得 x^2 y = x^4/4 + C,因此 y = x^2/4 + C/x^2——對 x 大於 0 有效。
變動的 p(x) 只改變 mu 的長相;四步配方與「區間由連續性決定」的規則不變。
一階變係數並不比常係數難——配方完全相同。這種輕鬆不會延續到二階,那裡變係數沒有一般公式,逼得人用級數方法。