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一階線性方程

大二 · 微分方程

觀念

一階線性微分方程的標準形是 y′+P(x)y=Q(x)y' + P(x)y = Q(x)。解法的靈魂是積分因子 (integrating factor) μ(x)=e∫P(x)dx\mu(x) = e^{\int P(x)dx} 兩邊乘 μ\mu 後,左邊恰好變成 (μy)′(\mu y)'(乘積法則倒過來),於是 μy=∫μQ dx+C\mu y = \int\mu Q\,dx + C。

算例:y′+2y=6y' + 2y = 6,μ=e2x\mu = e^{2x},(e2xy)′=6e2x(e^{2x}y)' = 6e^{2x},e2xy=3e2x+Ce^{2x}y = 3e^{2x} + C,y=3+Ce−2xy = 3 + Ce^{-2x}——不論初值,長期都趨向平衡值 3。y′+2xy=xy' + \frac{2}{x}y = x 在 x>0x>0 的區間上,積分因子是 e2ln⁡x=x2e^{2\ln x} = x^2。xy′+y=4xxy' + y = 4x 左邊本來就是 (xy)′(xy)'。

解的結構「特解 + 齊次解 Ce−∫PCe^{-\int P}」是線性方程的共同特徵。RC 電路充電、混合問題(鹽水濃度)、牛頓冷卻、藥物在體內的濃度,全是一階線性方程。

例題

xy0123-10123456(0, 0)y′ = 5 − y

解一階線性微分方程 y′+y=5y' +y = 5,y(0)=0y(0) = 0,求 y(x)y(x)(如 2 + 3e^(-x))。

看解法與答案

積分因子 (integrating factor) μ=e∫1 dx=ex\mu = e^{\int 1\,dx} = e^{x}。乘上去:(exy)′=5ex(e^{x}y)' = 5e^{x}。

積分:exy=5ex+Ce^{x}y = 5e^{x} + C,y=5+Ce−xy = 5 + Ce^{-x}。

代 y(0)=0y(0) = 0:0=5+C0 = 5 + C,C=−5C = -5。y=5−5e−xy = 5 -5e^{-x};長期趨向平衡值 55。

答案: 5−5e−x5 - 5 e^{- x}

用在哪裡

插畫

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