二階線性方程:齊次

齊次二階方程(homogeneous second-order equation)

想像一個沒人推的鞦韆。一旦放手,它仍會擺動,逐漸減速、振盪、停下,純粹靠它自身的內在規則(重力與摩擦),沒有任何外力之手。齊次二階方程描述的,正是這種自由、不受迫的行為:當沒有任何外力驅動時,系統的自然運動。

它就是把強迫項設為零的二階線性方程:y'' + p(x) y' + q(x) y = 0。右端為 0,正是它在此語境下被稱為「齊次」的原因,每一項都含有未知函數 y(或其導數),沒有任何項是獨立存在的。這帶來一個漂亮的結果。若 y1 與 y2 都是解,則對任意常數 c1、c2,c1 y1 + c2 y2 也是解,因為把和代入,不過是把你原已得到的兩個零相加。解集對加法與伸縮封閉,它是一個向量空間,而對一個適定的二階方程而言,這個空間恰好是二維的。

求解齊次方程,是每個線性問題不可或缺的前半部。即使你真正想解的是受迫方程 y'' + p y' + q y = g(x),你也得先找出齊次(互補)解,再加上一個特解。所以齊次情形並非可以略過的暖身,它是整副骨架,本章其餘部分都建在它之上。

對 y'' - y = 0,y1 = e^x 與 y2 = e^(-x) 都成立。5 e^x - 2 e^(-x) 也成立,事實上對任意 c1、c2,c1 e^x + c2 e^(-x) 皆成立。將任一這樣的組合代入都得到 0 = 0,印證了這個解族。

兩個基本解加上它們所有的線性組合,便掃出整個雙參數的解族。

此處的「齊次」僅指「右端等於零」。別把它與一階意義下的「齊次次數方程」(其中 dy/dx 只依賴於 y/x)混淆,同一個詞,卻是不相干的概念。

又称
homogeneous linear second-order ODE齊次二階線性方程