一階方程:恰當方程與代換

位勢函數(potential function)

當一個恰當方程背後藏著一個單一函數,其等位曲線就是解時,這個函數有個名字:位勢函數,通常寫作 F。「位勢」一詞借自物理,其中重力或靜電位勢是一種類似高度的量,其斜率給出力。這裡的 F 扮演相同角色——它的斜率(偏導數)正好就是方程的係數 M 與 N。

嚴格地說,當 partial F / partial x = M 且 partial F / partial y = N 時,F(x, y) 就是 M dx + N dy = 0 的位勢。此時 M dx + N dy 就是 dF,而隱式解為 F(x, y) = C。在幾何上,解曲線就是曲面 z = F(x, y) 的等高線:沿每條等高線高度不變,這正是 dF = 0。

位勢函數使恰當方程變得特殊而容易:你不必去積分一個微分方程,而是重建一個函數並讀出它的等位集合。同樣的想法之後會再以平面系統的守恆量、以及哈密頓或梯度結構重現——每一種情形下,一個隱藏的純量函數都在組織整個流。

對 (3x^2 + y) dx + (x - 2y) dy = 0,位勢為 F(x, y) = x^3 + xy - y^2,因為 partial F / partial x = 3x^2 + y = M 且 partial F / partial y = x - 2y = N。解就是曲線 x^3 + xy - y^2 = C。

位勢 F 把微分方程化為一族等高線 F = C。

位勢函數只在差一個常數的意義下唯一:若 F 可用,則 F + 5 也可用,因為多出的常數會被吸收進 C。所以重建 F 時,不必擔心多出一個常數。

又称
potentialthe hidden function F位能函數勢函數