可以因式分解的 D:作为算子的导数
用 $D$ 表示“对 $x$ 求导”。于是 $D(x^3)=3x^2$,$D(\sin x)=\cos x$,求两次导就是 $D(D(f))$,简写为 $D^2f$。到这里为止,它只是一个缩写。有趣的事从认真对待写法的形状开始:既然 $D^2$ 看起来像平方,为什么不把 $D$ 当作一个数?
微分方程变成多项式
考虑方程
$$y''-3y'+2y=0.$$用 $D$ 写,就是 $D^2y-3Dy+2y=0$,或者把 $y$ 提出来:
$$(D^2-3D+2)\,y=0.$$现在走大胆的一步:把关于 $D$ 的“多项式”像关于 $r$ 的多项式那样因式分解:
$$(D-1)(D-2)\,y=0.$$如果 $(D-1)y=0$,那么 $y'=y$,$y=e^{x}$。如果 $(D-2)y=0$,那么 $y'=2y$,$y=e^{2x}$。方程的解是这些组合:
$$y=C_1e^{x}+C_2e^{2x}.$$刚才发生的事情是:一个微分方程被中学代数解出来了。记号 $D$ 把“哪个函数满足它各阶导数之间的这个关系?”这个问题,变成了“$r^2-3r+2$ 的根是什么?”这个问题。教科书把这个多项式叫作特征方程,这个方法对任何常系数线性方程都适用。
指数里的泰勒
这个技巧还能走得更远。泰勒级数说
$$\begin{aligned} f(x+h)&=f(x)+h\,f'(x)\\ &\quad+\frac{h^2}{2!}f''(x)+\frac{h^3}{3!}f'''(x)+\cdots \end{aligned}$$用 $D$ 来写,就成了
$$\begin{aligned} f(x+h)&=\Bigl(1+hD+\frac{(hD)^2}{2!}\\ &\qquad+\frac{(hD)^3}{3!}+\cdots\Bigr)f(x). \end{aligned}$$括号里的级数正是指数函数的级数,只是把数换成了 $hD$。所以
$$f(x+h)=e^{hD}f(x).$$把一个函数平移 $h$,就是对它施以导数的指数。这样一句话按字面读毫无意义,作为一条能给出正确结果的操作规则来读,却完全说得通。
布尔与亥维赛
1844 年,乔治·布尔——就是逻辑代数的那个布尔——发表了一篇关于这种“算子演算”的获奖论文。但把这个想法推向极致的,是英国人奥利弗·亥维赛,一位自学成才的电报员。十九世纪八九十年代,他把 $D$ 当作数,对 $D$ 开平方、除以 $D$,来解海底电缆的方程,从不操心如何证明。
剑桥的数学家抱怨他不够严格。亥维赛用一句后来很有名的话回答:
难道我因为不完全理解消化的过程,就该拒绝吃饭吗?
— 据称出自奥利弗·亥维赛
结果都是对的。证明是几十年后随着拉普拉斯变换而来的:它把求导变成乘以一个数,使亥维赛凭眼力做的事变得严格。这是一个罕见而美丽的例子:记号走在了理论前面。写法暗示了计算,计算奏效了,人们后来才明白为什么。
练习:验证解
验证 $y=e^{2x}$ 满足 $y''-3y'+2y=0$。
$y'=2e^{2x}$,$y''=4e^{2x}$。于是 $4e^{2x}-3\cdot2e^{2x}+2e^{2x}=(4-6+2)e^{2x}=0$。因子 $4-6+2$ 就是多项式 $r^2-3r+2$ 在 $r=2$ 处的值。
练习:e^{hD} 作用于 x²
把级数加起来,计算 $e^{hD}x^2$。
$Dx^2=2x$,$D^2x^2=2$,$D^3x^2=0$,所以级数在第三项就停止了:$x^2+h\cdot2x+\frac{h^2}{2}\cdot2=x^2+2hx+h^2=(x+h)^2$。导数的指数确实把函数平移了。