线性常微分方程:高阶与方程组

参数变易法(variation of parameters)

一旦强迫项变成 tan x 或 sec x 之类、没有任何整洁的猜测族能自洽,待定系数法就失效了。参数变易法是通用的替代:它对任意连续强迫都给出一个特解,而为这种通用性付出的代价,是你随后必须真正去算的积分。

其思想出自拉格朗日:取齐次解 c_1 y_1 + c_2 y_2,让常数变成函数:y_p = u_1(x) y_1 + u_2(x) y_2。把它代入方程并附加一个方便的约束,得到关于 u_1' 与 u_2' 的两个代数方程,其解为 u_1' = -y_2 g / W 与 u_2' = y_1 g / W,其中 W 是 y_1、y_2 的朗斯基行列式,g 是强迫(在把首项系数归一化为 1 之后)。积分便还原 u_1、u_2,从而得到 y_p。对方程组,同样的想法给出优雅的公式:y_p =(基解矩阵)乘以 对(基解矩阵之逆 乘以 g)的积分。

它的优势在于彻底的通用性:它只需要一组齐次基本解和一个连续强迫,绝不依赖幸运的猜测。它的代价是那个积分,可能繁琐、甚至是非初等的,但公式总是精确地告诉你要做哪个积分。用变换的语言说,同一个特解会以与脉冲响应的卷积形式出现,这正是参数变易法、格林函数与卷积定理是同一想法之三个面相的原因。

对 y'' + y = sec x,齐次基为 cos x、sin x,W = 1。则 u_1' = -sin x sec x = -tan x,u_2' = cos x sec x = 1,得 u_1 = ln|cos x|,u_2 = x,故 y_p = cos x ln|cos x| + x sin x。

参数变易法能处理 sec x,而待定系数法对此无能为力。

套用公式之前,先把方程通除,使最高阶导数的系数为 1——否则首项系数须并入 g,忽略这一点是常见的疏漏。

又称
variation of constantsLagrange's method参数变易法常数变易法