系統的參數變易法(variation of parameters for systems)
一旦你能解無強迫的系統 x' = A x,參數變易法便是為任何強迫 g(t) 加碼的萬用方法。它的想法與單一方程奏效的那個巧招相同:取齊次解,它裡頭坐著一個常數,讓那常數變成時間的函數,再解出那函數必須是什麼。你讓參數變動,故得此名。
走一遍。齊次解是 x_h = Phi(t) c,其中 Phi(t) 是基本矩陣(常係數時為 e^(At)),c 是常數向量。要解 x' = A x + g(t),猜答案具相同形狀但把 c 升格為向量函數:x = Phi(t) u(t)。用乘積法則微分:x' = Phi' u + Phi u'。因 Phi' = A Phi,第一項是 A Phi u = A x,故代入方程後,A x 部分乾淨相消,剩下的是 Phi u' = g(t)。這就是整部引擎:解 u' = Phi^(-1) g(t),再積分,u(t) = Phi^(-1)(s) g(s) 的積分。特解就是 x_p = Phi(t) 乘以那個積分。這個刻意的猜測,正是被設計成讓除強迫之外的一切相消,恰如積分因子被設計成把左側坍縮成單一導數。
對常係數系統,Phi(t) = e^(At),Phi^(-1)(s) = e^(-As),故公式化成矩陣卷積 x_p(t) = 從 t0 到 t 的 e^(A(t - s)) g(s) ds 之積分。這就是杜哈梅公式,且完全一般:它對 g(t) 別無要求,只要可積即可,不必巧猜,不限特殊形式。代價是你得能對 e^(-As) g(s) 積分,它未必有初等原函數;那時答案就以一個誠實的積分形式留存。
要解 x' = A x + g(t),其中 A = [0, 1; -1, 0]、g(t) = (0, cos t),用 Phi(t) = e^(At) = [cos t, sin t; -sin t, cos t]。組出 Phi^(-1)(s) g(s),逐分量積分,再乘以 Phi(t)。相消 Phi u' = g 自動發生;你從不必猜答案的形式,即便強迫 cos t 恰在系統自身頻率上(此處共振使 x_p 出現一個 t 成長項)。
把常數向量 c 升格為函數 u(t);經設計的相消留下 Phi u' = g,靠一次矩陣求逆與一次積分即可解出。
參數變易法完全一般,但收尾於一個可能無初等形式的積分;對良好的強迫,待定係數法更快,然而唯有參數變易法永遠管用。