一阶常微分方程与定性理论
克莱罗方程(Clairaut equation)
/ clair-OH /
克莱罗方程是看奇解凭空冒出来的最干净的地方,它有一种奇特的自指模样:函数用它自己的导数来表达。它是教科书式的例子——通解是一族直线,可偏偏还有一个额外的、弯曲的解,族中没有任何一条直线等于它——那条它们全都贴合的包络。
它的形式是 y = x*(dy/dx) + g(dy/dx)——未知 y 等于 x 乘以它的斜率 p = dy/dx,再加上同一斜率的某个函数 g。求解方法是对整个方程关于 x 求导。消去后剩下一个等于零的乘积,分成两种情况。第一种令 dy/dx 等于一个常数;回代得通解 y = C*x + g(C),一族单参数直线(每个斜率 C 对应一条直线)。第二种正是给出奇解的那个:它迫使一个关系,与原方程联立后描出所有这些直线的包络——一条与每条直线相切、却不属于任何一条的单一曲线。
克莱罗方程作为求解配方的意义较小,作为两个诚实微妙之处的典范例证则意义更大:「通解」未必包含每一个解,以及存在唯一性定理的保证恰恰在包络上失效——那里利普希茨条件不成立。它在几何与光学中也确实出现——光线的包络(焦散)和直线族的包络都来自克莱罗型关系。它是「求解的代数」与「包络的几何」之间的桥梁。
y = x*p + p^2,其中 p = dy/dx(这里 g(p) = p^2)。通解是直线族 y = C*x + C^2。奇解是包络 y = -x^2/4,一条与族中每条直线都相切的向下抛物线。
求导分裂出一族直线(通解)及其包络(奇解)。
不要把这里的克莱罗方程(一阶常微分方程)与克莱罗关于混合二阶偏导相等的定理混淆——那是同一位亚历克西·克莱罗的另一项结果。同名,两件不相干的事。
又称
另见