一階方程:可分離與線性

純時間方程 y' = f(x)

所有微分方程中最簡單的,是右邊完全不提及未知函數的那種。純時間方程具有形式 y' = f(x):變化率只依賴自變數 x(常常是時間),而不依賴 y 本身。它幾乎配不上「微分方程」這個名字——它其實只是一個披著導數外衣的積分問題。

由於右邊是只含 x 的已知函數,沒有什麼需要拆解。你用直接積分來解:y = f(x) 的積分 + C,即 f 的反導數加一個任意常數。可分離法與線性法(取 p(x) = 0)在這裡都化約成同一個單一步驟;積分因子不過是 mu = e^0 = 1,所以沒有乘上任何東西。任意常數 C 正是解在某個選定起點所應有的值,由初始條件設定。「純時間」這個名稱來自把 x 當時間的圖像:你被告知每一瞬間的速度 f(t),再藉由累積它來還原位置。

這個情形作為通往較難情形出發的大本營而重要,並使積分常數的角色變得具體。它也帶來一個誠實的提醒:連這個最容易的方程都可能沒有初等答案,因為 f(x) 的積分未必是初等函數。經典例子是 y' = e^(-x^2),其解涉及誤差函數——沒有初等形式的公式存在,儘管方程本身再簡單不過。

y' = 6x 配 y(0) = 2 直接積分:y = 3x^2 + C。條件 y(0) = 2 給 C = 2,於是 y = 3x^2 + 2。不需分離也不需積分因子——只要一個反導數。

當 y' 只依賴 x 時,求解就是純粹的積分,常數由初始值設定。

別把這個情形想得太複雜——右邊沒有 y,所以不用分離、不用積分因子、沒有齊次部分。但「原則上可積」不等於「有初等公式」:y' = sin(x^2) 需要一個特殊函數。

又称
directly integrable equation純時間型方程