基礎:什麼是偏微分方程——階數、線性與分類

齊次與非齊次偏微分方程

對任何線性 PDE,你都可以問一個簡單的是非題,而它的影響極其重大:有沒有什麼東西從外部驅動它?若一條方程的每一項都牽涉未知函數 u(或其導數),使得 u = 0 自動成為一個解——沒有任何東西被加入——它就是齊次的。若有一個完全不含 u 的額外項:一個源、一個強迫、一股使 u 不會單純為零的餵入——它就是非齊次的。

寫成 L[u] = g(L 為線性算子)時,g = 0 是齊次,g 為某個給定的非零自變數函數時是非齊次。拉普拉斯方程 Laplacian u = 0 是齊次——空無一物的空間、沒有電荷;帕松方程 Laplacian u = f 是其非齊次版本,其中 f 是作為位勢之源的電荷或質量分布。樸素的熱方程 u_t = k u_xx 是齊次(熱只是自我重新分配);加上一個加熱器就得到 u_t = k u_xx + Q(x, t),非齊次,由 Q 把能量灌入。

這個區別是線性問題求解方式的骨幹。非齊次線性 PDE 的通解,等於一個特解(整條方程的任一個解)加上相應齊次方程的通解——與線性代數和線性 ODE 完全一樣。於是你把工作拆開:先解齊次方程以掌握自由度(這正是疊加與特徵函數展開的居所),再找出對源的任一個特定回應。杜阿梅原理與格林函數等方法,正是從源項系統地建造出該特解的機器。

齊次/非齊次的配對:Laplacian u = 0 對 Laplacian u = f(拉普拉斯對帕松);u_t = k u_xx 對 u_t = k u_xx + Q(x, t);u_tt = c^2 u_xx 對 u_tt = c^2 u_xx + F(x, t)(自由振動對受驅動的弦)。右邊加上的項就是源。

左邊是同一個算子;右邊出現非零項,就把齊次方程變成非齊次方程。

當心 PDE 中「齊次」一詞的兩種用法:此處意指「沒有源項」。同一個詞也用於「齊次邊界條件」(邊界資料設為零)——這是相關但不同的概念。脈絡會告訴你指的是哪一個;兩者可以各自獨立地存在或不存在。

又称
homogeneousinhomogeneousnonhomogeneous齊次非齊次