基礎:什麼是微分方程

平衡解

在微分方程的所有解當中,有少數幾個特殊的解根本不變——它們完全靜止不動。一個正好處於環境所能維持之水準的族群、一杯已經達到室溫的咖啡、一個垂直向下懸掛的單擺:每一個都處於平衡,沒有移動的傾向。描述這種凍結狀態的常數函數就是平衡解,而這少數幾條水平曲線組織了所有其他解的行為。

精確地說,平衡解(或常數解)是一個為常數函數的解,y(t) = c,因此它的導數處處為零。對自治的一階方程 y' = f(y),這些恰是使 f(c) = 0 的值 c——把右邊設為零再解之。對邏輯斯諦方程 y' = r y (1 - y/K),把右邊設為零得 y = 0 與 y = K,所以這兩個常數就是平衡解:在 y = K 處成長率為零,族群既不上升也不下降。在斜率場中它們表現為水平線,其他積分曲線趨近或偏離它們。

平衡解是長期故事的骨架。其他解往往被拉向一個穩定平衡(匯點)或被推離一個不穩定平衡(源點),所以知道平衡點及其穩定性,就告訴你一切最終歸於何處,常常根本不必解方程。一句貫穿整門學科的誠實警告:當你以同除來解可分離方程時,必須先把除式設為零,因為「除」這個動作本身可能悄悄刪掉的正是這些常數解——平衡解正是經典的「遺失的解」。

對邏輯斯諦方程 y' = r y (1 - y/K),把右邊設為零:r y (1 - y/K) = 0 給出 y = 0 與 y = K。常數函數 y(t) = 0 與 y(t) = K 各自滿足方程(它的導數是 0,右邊也是 0),所以這是兩個平衡解。

平衡解 = 右邊的根,畫成水平的解線。

為分離變數而除以 y,可能悄悄遺失平衡解 y = 0。在除之前,務必先把右邊設為零、記下常數解。

又称
常數解穩定解constant solution