一階方程:可分離與線性

積分因子(integrating factor)

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積分因子是你乘到整個線性方程上、讓它突然變簡單的一個巧妙乘子。y' + p(x) y = q(x) 的左邊幾乎——但不完全——是某個乘積的導數。積分因子正是你乘上去的那個確切函數,使左邊塌縮成單一整齊的導數,之後方程便輕易可積。

它的工程原理如下。令 mu(x) = e^(p(x) 的積分)。把 y' + p(x) y = q(x) 的每一項都乘以這個 mu(x)。左邊變成 mu y' + mu p y,而由於 mu 被造成滿足 mu' = mu p(這正是 e^(p 的積分) 的作用——它的導數是 p 乘以自己),這恰好就是 (mu y)' 的乘積法則展開。於是方程變成 (mu(x) y)' = mu(x) q(x):左邊現在是 mu 乘 y 的單純導數。對兩邊積分,除以 mu,你就得到 y。因子 mu 正是被設計來抵消乘積法則的。

積分因子是一階線性方法的核心,也是初等常微分方程中最令人滿足的技巧之一,因為它把一整個方程家族化成單一次積分。幾個誠實的提醒:在形成 p dx 的積分時你可以省略積分常數(任何一個反導數都行,因為 mu 的常數倍會抵消),但在最後積分 mu q 時你必須保留常數——通解的任意常數就住在那裡。另外,同樣的名稱「積分因子」也被借用於一個相關但不同的裝置,用來拯救非恰當方程;公式並不相同。

對 y' + (1/x) y = x:這裡 p = 1/x,所以 mu = e^((1/x) 的積分) = e^(ln x) = x。整個乘上去:x y' + y = x^2,其左邊是 (x y)'。於是 (x y)' = x^2,積分得 x y = x^3/3 + C,因此 y = x^2/3 + C/x。

選 mu = x,使左邊恰好成為導數 (x y)'——接著一次積分就完成工作。

積分因子只有在方程化為標準形 y' + p(x) y = q(x)、y' 的係數為 1 之後才管用。若你從 a(x) y' + b(x) y = c(x) 出發,要先除以 a(x),否則你會用錯 p。

又称
mu(x)積分乘子