齐次微分方程 (Homogeneous ODE) VS 线性齐次微分方程 (Linear-Homogeneous ODE)

齐次微分方程 (Homogeneous ODE) VS 线性齐次微分方程 (Linear-Homogeneous ODE) 的区别是什么?其中的 “齐次” 有何异同?

齐次(“homogeneous”)一词在常微分方程(ODE)语境下有两种不同的含义:

  1. 如果一个线性微分方程中没有不包含因变量的非零项, 则称其为齐次的,否则称为非齐次的。
    因此, y'' + p(t)y' + q(t)y = 0 是齐次的, 但 y'' + p(t)y' + q(t)y = r(t) 是非齐次的 (除非 r 恰好为 0)。

  2. 形如 \frac{dy}{dx} = F(\frac{y}{x}) 的一阶方程被称为齐次的。(齐次方程)

这两个概念完全不同,彼此无关。

前者是线性方程的性质描述,后者则是方程形式的一种特定类型。

  • “齐次” 一词的历史来源:这个术语首次由约翰·伯努利(Johann Bernoulli)应用于微分方程,1726年发表的《论微分方程的积分》( De integraionibus aequationum differentialium (On the integration of differential equations))一文的第9节中。

  • 齐次(微分)方程中的齐次,来源于齐次函数。
    一个一阶微分方程若可写为如下形式
    f(x, y) d y = g(x, y) dx,
    其中 fgxy 同阶的齐次函数,则称该一阶微分方程为齐次的。
    在这种情况下,令 $y = ux$,可得如下可分离变量求解方程:
    \frac{dx}x = h(u) du.
    齐次方程的一般形式:
    \frac{dy}{dx} = f(\frac{y}{x})
    其中 fy/x 的函数,可以是线性函数,也可以是非线性函数。

  • 齐次函数: 齐次函数 (英语:Homogenous)是一个有倍数性质的函数:如果变数乘以一个系数,则新函数会是原函数再乘上系数的某次方倍。例如:

    • f(x, y, z) = x^5 y^2 z^3 为10次齐次函数,因为
      (\alpha x)^5 (\alpha y)^2 (\alpha z)^3 = \alpha^{10} x^5 y^2 z^3
    • x^5 + 2 x^3 y^2 + 9 x y^4 为 5 次齐次多项式。(由同次数的单项式相加所组成的多项式)

扩展知识:齐次方程与尺度不变性

  1. 什么是齐次微分方程?
    齐次微分方程是一种所有项都具有相同次数的方程。这意味着所有变量都有相同的指数。换句话说,所有项都具有相同的尺度。

  2. 微分方程具有尺度不变性意味着什么?
    具有尺度不变性的微分方程是指,即使变量被常数因子缩放,其解也保持不变的方程。换言之,解不受尺度变化的影响。

  3. 尺度不变微分方程的通解是什么?
    尺度不变微分方程的通解是对所有可能的变量值都成立的解。它通常用任意常数表示。

  4. 初始条件在求解尺度不变微分方程中扮演什么角色?
    初始条件是找到尺度不变微分方程的特解所必需的。这些条件指定了某一点处变量的值, 然后可以用来确定通解中任意常数的值。

References