可分離初值問題(separable IVP)
可分離初值問題把一個可分離微分方程與一個起始事實配在一起——解必須通過的單一個點。它不要求整個曲線家族,而是要求通過 (x_0, y_0) 的那一條特定曲線。這是大多數現實問題採取的形式:你知道某物如何變化、從哪裡開始,並想知道它的未來。
你分兩個清楚的階段來解。第一,用分離變數法解微分方程得到通解(常為隱式),帶著任意常數 C。第二,把初始條件 y(x_0) = y_0 代入那些數字並解出 C,從家族中挑出一個成員。有個漂亮的捷徑把兩步一次打包:從初始資料積分,從 y_0 到 y 的 dy/g(y) 的積分 = 從 x_0 到 x 的 f(x) dx 的積分,使用以初始點為界限的定積分——這把條件內建進去,省去另外解 C。你仍須留意常數解:若 y_0 恰好是 g(y) 的根,解可能就是常數 y = y_0。
可分離初值問題是抽象通解化為具體預測之處,遍布各門科學。但關於唯一性的誠實在這裡很重要:當 g(y) 在初始值處行為失常時,可分離方程可能違反唯一性。標準的警世例子是 y' = y^(1/3) 配 y(0) = 0——分離給出一個解,然而 y(x) = 0 也是通過同一點的解,所以這個初值問題有不只一個答案。存在唯一性定理正好解釋這種情況何時會發生。
解 dy/dx = x/y,y(0) = 3。分離:y dy = x dx;積分:y^2/2 = x^2/2 + C。代入 y(0) = 3:9/2 = 0 + C,於是 C = 9/2。因此 y^2 = x^2 + 9,取通過 (0, 3) 的分支,y = sqrt(x^2 + 9)。
先解出家族,再用初始點同時釘住 C 並選對分支(這裡是正根)。
當初始 y_0 是 g(y) 的根時,唯一解可能就是常數 y = y_0——而在 g 於該處行為失常之處(如 y' = y^(1/3) 在 0 處),唯一性可能徹底失效。