一阶常微分方程与定性理论

一阶齐次方程(homogeneous first-order equation)

这里的「齐次」含义相当特定、也容易误读:指右边只依赖比值 y/x、而不分别依赖 x 和 y 的方程。这样的方程是尺度不变的——把 x 和 y 同时放大同一倍数,方程看起来一模一样。正是这种对称性,被一个巧妙的代换所利用,把它化为你能积分的可分离方程。

形式上,dy/dx = f(x, y) 在此意义下是齐次的,若 f(x, y) 可写成仅含 y/x 的函数——等价地,若对每个缩放因子 t 都有 f(t*x, t*y) = f(x, y)。代换 v = y/x(于是 y = v*x,由乘积法则 dy/dx = v + x*dv/dx)把方程化为 x*dv/dx = f(v) - v,它关于 v 与 x 可分离:分离、积分,再把 v 换回 y/x。它之所以奏效,几何核心在于尺度对称——沿从原点出发的任一射线,斜率场是恒定的,所以天然坐标就是比值 v = y/x。

这类方程出现在任何没有内禀长度尺度的问题里,这在几何中(由角度或比值条件定义的曲线)和物理问题的相似解中很常见,那里量纲分析把两个变量并成一个比值。一个关于术语的严肃警告:这里的「齐次」与线性常微分方程理论里的「齐次」完全是两回事,后者指驱动项为零(Q = 0)。同一个词,两个不相干的含义——由上下文判定指的是哪个。

dy/dx = (x + y)/x = 1 + y/x 只依赖比值 y/x。令 v = y/x 得 v + x*dv/dx = 1 + v,故 x*dv/dx = 1,即 dv = dx/x。积分得 v = ln|x| + C,于是 y = x*(ln|x| + C)。

代换 v = y/x 把尺度不变的方程化为可分离方程。

留意「齐次」一词——这里它指尺度不变(依赖 y/x)。在线性常微分方程各章中,它则指「右端为零」(无驱动项)。这两个义项互不相干;只有上下文能消歧。

又称
scale-invariant equation齐次型方程齊次型方程