一阶线性方程(linear first-order equation)
这是一阶理论的主力方程——每一次都有保证的、公式化的解。不同于可分离情形(那是结构上的幸运巧合)或非线性情形(通常没有闭式),一阶线性方程总能用一条固定配方求出闭式解。只要你能把方程化成它的样子,基本上就大功告成。
它的标准形是 dy/dx + P(x)*y = Q(x):未知量 y 单独出现、一次幂,只被一个 x 的函数相乘,右边 Q(x)(驱动项或源项)只依赖 x。解由积分因子 mu(x) = e^(对 P(x) 积分) 给出。乘整个方程把左边变成 d/dx(mu*y),于是一次积分得 y = (1/mu)*(积分 mu*Q dx + C)。当 Q = 0 时方程齐次,答案就是 y = C/mu = C*e^(-积分 P),一个指数;非零的 Q 加上由源驱动的特解响应。这种拆分——齐次部分加特解部分——正是后续整套线性理论的种子。
这类方程刻画了极其广泛的一阶线性系统:RC 或 RL 电路、有进出流的混合槽、带稳定补给的放射性衰变、环境温度变化下的牛顿冷却。可靠性正是要点——给定标准形,积分因子公式从不失手,这正是为什么人们花大力气(如伯努利与里卡蒂代换)把别扭的非线性方程变换成这个可信赖的线性样子。
电池给 RC 电路充电服从 dq/dt + q/(R*C) = V/R。P = 1/(R*C),积分因子为 e^(t/(R*C));解为 q(t) = C_0*V*(1 - e^(-t/(R*C))),即趋向满电的熟悉指数过程。
把方程化为标准形,构造 mu,积分一次——一个有保证的解。
该公式假定方程确实是标准形,dy/dx 的系数已归一化为 1。若方程是 a(x)*y' + b(x)*y = c(x),必须先整体除以 a(x)——并留意 a(x) = 0 的点,那里可能是真正的奇点,解会在此处失常。