二階線性方程:非齊次

待定係數法(method of undetermined coefficients)

想像有人問你:「什麼樣的輸入給出什麼樣的輸出?」對於少數行為良好的外力,答案令人愉快地可預測:用多項式推一個常係數系統,響應是多項式;用 e^(kx) 推,響應是 e^(kx) 的倍數;用正弦推,響應是正弦與餘弦的組合。待定係數法正是利用這種可預測性——你猜一個與外力同形狀的解,把係數留作未知,再讓方程告訴你這些係數。

它的步驟很直接。首先,看 g(x),寫下一個形狀相符但係數待定的試解 y_p:對 g = 5e^(2x) 試 y_p = A e^(2x);對 g = x^2 試 y_p = A x^2 + B x + C;對 g = sin(3x) 試 y_p = A cos(3x) + B sin(3x)。然後把 y_p、y_p'、y_p'' 代入左邊,合併同類項,再讓結果與 g(x) 相匹配。這給出未知常數的簡單線性方程,解出即可。把常數代回,就有一個特解。

兩個限制讓你誠實。第一,此法適用於常係數方程,且僅適用於由多項式、指數、正弦、餘弦以及它們的乘積與和所構成的外力——對其他任何東西(如 g = tan x 或 1/x),你必須改用參數變易法。第二,若你的猜測恰好已經是齊次方程的解,代入後會塌縮為零,方法看似失敗;這就是套用修正(乘以 x)規則的訊號。但在它的適用範圍內,它是最快的手算方法。

解 y'' + y' - 2y = 4x。猜 y_p = Ax + B。則 y_p' = A,y_p'' = 0,左邊變為 A - 2(Ax + B) = -2A x + (A - 2B)。與 4x + 0 相匹配得 -2A = 4(故 A = -2)以及 A - 2B = 0(故 B = -1)。因此 y_p = -2x - 1。

猜形狀、代入、匹配係數,以確定未知數。

即使外力中只有單一個 x,也要猜完整的多項式(A x + B,而非只有 A x):低次項是必要的,因為微分會混合次數。漏掉它們是最常見的錯誤。

又称
undetermined coefficientsjudicious guessing待定係數judicious-guessing method