一階方程:可分離與線性

線性初值問題(linear IVP)

線性初值問題是一個一階線性方程加上一個起始條件:在 y(x_0) = y_0 下解 y' + p(x) y = q(x)。與任何初值問題一樣,你追求的是單一個特定解,而非整個家族——服從方程並通過給定點的那條唯一曲線。

程序是積分因子配方加上最後的代入。造 mu(x) = e^(p 的積分),把方程改寫為 (mu y)' = mu q,積分得通解 y = (1/mu)((mu q 的積分) + C),再代入 y(x_0) = y_0 並解出 C。使用從 x_0 起的定積分會讓這格外乾淨,並自動釘住 C。最關鍵的事實是它與非線性情形的對比:若 p 與 q 在含 x_0 的開區間上連續,則線性初值問題恰有一個解,且該解在 p 與 q 保持連續的整個區間上都存在。沒有意外、沒有分岔、沒有提早崩潰。

這種在可預測區間上保證的存在與唯一性,正是線性模型在預測上如此值得信賴的原因——電路、冷卻、混合都承襲它。你應尊重的界線是:解只在 p 與 q 連續的區間上被承諾:若 p(x) = 1/x,在 x_0 = 1 的初始條件給出對 x 大於 0 有效的解,而那個區間一般不會跨越 x = 0 的不連續處。有效區間由係數決定,而非由解自己撞上麻煩決定。

解 x y' + y = 4x,y(1) = 2。標準形 y' + y/x = 4 有 mu = x,給出 (x y)' = 4x,於是 x y = 2x^2 + C,y = 2x + C/x。代入 y(1) = 2:2 = 2 + C 得 C = 0,所以 y = 2x——對 x 大於 0 有效(此處 1/x 連續)。

線性初值問題在 p 與 q 連續的區間上有唯一解——這裡是 x 大於 0,受 x = 0 處奇異點的限制。

p 與 q 的連續性保證在它們整個連續區間上有唯一解——遠強於非線性情形,那裡存在性可能只是局部的,且唯一性可能失效。

又称
IVPlinear IVP線性初值問題