もっとシンプルに
\documentclass{article}
\begin{document}
\section{AA<br />
$$<br />
y=ax<br />
$$<br />
BB<br />
\end{document}
くらいで試せばわかると思います．
公式集のようなものでもない限り
見出しの直後にいきなり別行式がくるものは
あまりありません．
ちなみに本当に見出しの直後で別行式を書きたい場合，
TeX的には別行じゃないけど，見た目は別行っぽくする
ようにするのがいいと思います
自動化したい場合は。。。厄介です．
少なくとも，モードの確認と見出しの直後化の判断が必要ですので．