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定理已证明

积分因子公式

命题陈述

若 P(x)P(x) 与 Q(x)Q(x) 在某区间上连续,且 μ(x)=e∫P(x) dx\mu(x)=e^{\int P(x)\,dx},则线性方程 dydx+P(x)y=Q(x)\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x) 的每个解都由 y(x)=1μ(x)(∫μ(x)Q(x) dx+C)y(x) = \frac{1}{\mu(x)}\left(\int \mu(x) Q(x)\,dx + C\right) 给出。

为什么成立?

这个技巧类似于配方法:给整个方程乘以一个巧妙选取的因子 μ(x)\mu(x),使左边化为单一乘积 μ(x)y(x)\mu(x)y(x) 的导数,从而把微分方程变成可以直接积分的东西。

证明思路

令 μ(x)=e∫P(x) dx\mu(x)=e^{\int P(x)\,dx};由链式法则求导,因指数 ∫P(x) dx\int P(x)\,dx 的导数为 P(x)P(x),得 μ′(x)=P(x)μ(x)\mu'(x)=P(x)\mu(x)。

将 dydx+P(x)y=Q(x)\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x) 两边乘以 μ(x)\mu(x):得到 μ(x)y′+μ(x)P(x)y=μ(x)Q(x)\mu(x)y' + \mu(x)P(x)y = \mu(x)Q(x)。

由乘积法则,ddx[μ(x)y(x)]=μ(x)y′(x)+μ′(x)y(x)\frac{d}{dx}[\mu(x)y(x)] = \mu(x)y'(x) + \mu'(x)y(x),又 μ′(x)=P(x)μ(x)\mu'(x)=P(x)\mu(x),这恰好等于上式左边 μ(x)y′+μ(x)P(x)y\mu(x)y' + \mu(x)P(x)y。故方程化为 ddx[μ(x)y(x)]=μ(x)Q(x)\frac{d}{dx}[\mu(x)y(x)] = \mu(x)Q(x)。

两边对 xx 积分,得 μ(x)y(x)=∫μ(x)Q(x) dx+C\mu(x)y(x) = \int \mu(x)Q(x)\,dx + C(CC 为任意常数)。两边除以 μ(x)\mu(x)(它是指数函数,永不为零)得到 y(x)=1μ(x)(∫μ(x)Q(x) dx+C)y(x) = \frac{1}{\mu(x)}\left(\int \mu(x) Q(x)\,dx + C\right)。

用到此定理的主题

分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

  1. William E. Boyce, Richard C. DiPrima, Douglas B. Meade (2017). Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems
  2. Morris Tenenbaum, Harry Pollard (1985). Ordinary Differential Equations