線性常微分方程:高階與方程組

參數變易法(variation of parameters)

一旦強迫項變成 tan x 或 sec x 之類、沒有任何整潔的猜測族能自洽,待定係數法就失效了。參數變易法是通用的替代:它對任意連續強迫都給出一個特解,而為這種通用性付出的代價,是你隨後必須真正去算的積分。

其思想出自拉格朗日:取齊次解 c_1 y_1 + c_2 y_2,讓常數變成函數:y_p = u_1(x) y_1 + u_2(x) y_2。把它代入方程並附加一個方便的約束,得到關於 u_1' 與 u_2' 的兩個代數方程,其解為 u_1' = -y_2 g / W 與 u_2' = y_1 g / W,其中 W 是 y_1、y_2 的朗斯基行列式,g 是強迫(在把首項係數歸一化為 1 之後)。積分便還原 u_1、u_2,從而得到 y_p。對方程組,同樣的想法給出優雅的公式:y_p =(基解矩陣)乘以 對(基解矩陣之逆 乘以 g)的積分。

它的優勢在於徹底的通用性:它只需要一組齊次基本解和一個連續強迫,絕不依賴幸運的猜測。它的代價是那個積分,可能繁瑣、甚至是非初等的,但公式總是精確地告訴你要做哪個積分。用變換的語言說,同一個特解會以與脈衝響應的卷積形式出現,這正是參數變易法、格林函數與卷積定理是同一想法之三個面相的原因。

對 y'' + y = sec x,齊次基為 cos x、sin x,W = 1。則 u_1' = -sin x sec x = -tan x,u_2' = cos x sec x = 1,得 u_1 = ln|cos x|,u_2 = x,故 y_p = cos x ln|cos x| + x sin x。

參數變易法能處理 sec x,而待定係數法對此無能為力。

套用公式之前,先把方程通除,使最高階導數的係數為 1——否則首項係數須併入 g,忽略這一點是常見的疏漏。

又稱
variation of constantsLagrange's method参数变易法常数变易法