微分方程的解為什麼叫積分曲線?

時間 2021-06-06 23:53:47

1樓:葉落無聲

這就要去理解微分方程是怎麼來的,或者說為什麼叫「微分方程」,而不是「導數方程」(相信不少初學者甚至老教授都沒考慮過這個問題)。

微分方程的叫法其實是很合理的。

坦白地說,很多數學理論或方法,都直接或間接地來自物理世界的實際問題(尤其是力學問題[1],可以說整個力學史佔據了數學發展史的很重要的一部分,比如牛頓、尤拉、拉格朗日、斯托克斯、拉普拉斯等,幾乎都是雙重身份——數學家和力學家)。

目前大學教的的微分方程知識(包括各種已知型別的微分方程以及求解技巧),大部分都是在微積分出現之後很快就出現的,那時候主要是應用在跟力學相關的工程上的很多問題,因此總是會出現各種各樣的微分方程需要求解。這些微分方程是怎麼出現的呢?

就我所知,一般有兩種情況:

1. 應用哈密頓原理,利用變分法求解泛函極值來解決物理實際問題(比如最最速降線,梁、板殻的振動,彈性體變形),泛函極值條件是尤拉-拉格朗日方程方程,因此自然而然就出現了含有導函式的方程了。不過,這個觀點比較高層,不太直觀且操作繁瑣,但技巧性低,適合範圍廣。

2. 直接取微元體進行分析,利用物理定律列方程(所以很物理意義很直觀)。不過由於是微元體,故方程裡面必然含有微分,因此得到的都是一些含有微分的等式——當把方程整理後,就會得到含有導數的「微分方程」,看上去好像是「導數方程」一樣。

有了這些鋪墊,下面就可以很好地解釋為什麼它的解叫做積分曲線了。由於第一種情況比較繁瑣,這裡從第二種情況來解釋。首先,我們來模擬一階微分的產生:

假設有個函式 對應某個物理量,在使用物理定律對微元體進行分析,得知它的增量滿足某種一階微分關係

等式左邊是全微分,只是數學性質,而右邊才是物理規律,其中 與具體問題有關。

兩邊同時除以 ,得到微分方程(假設偏導數連續且不為零)

這樣,乙個簡單的一階微分方程就得到了。接著我們來思考,如何求出 呢?顯然,如果對方程 兩邊同時積分 ,那麼很容易得

這就是關於x,y的隱函式關係了,它內在地確定了 或者 曲線(如果存在的話),因此就說上面這個解就是是微分方程 的積分曲線。

或者不同時除以 ,而是引入額外的引數變數 ,最後通過積分求出 這種引數方程形式的解,這個解也是一種引數曲線,因此也說是方程 的積分曲線。

另一種理解就是從所謂的「積分因子法」獲得啟發。積分因子法是一種求解微分方程的方法,它的基本思想是通過湊全微分公式來解微分方程。即通過適當變形,把微商的分母都乘上來,化為含有微分的名副其實的「微分方程」,然後方程兩端同時乘以合適的積分因子(它是乙個函式),湊出 式左端的全微分形式,並且保證得到的微分方程右邊也可以積分,然後就能直接積出原方程的解——這個結果就是積分曲線。

只不過,這種方法難在「湊」的過程,它需要很深刻的洞察和直覺,以及一些變形技巧,用得好就會非常快捷高效。本質上,積分因子法是上面舉例推導出微分方程的逆過程,需要還原被消掉的量(積分因子),所以這種反著來的思路當然就需要很高的技巧和洞察力了(比如我們可以模擬一下因式的乘法展開合併同類項和因式分解,顯然前者操作簡單而直接,而後者就比較需要技巧和觀察了)。

對於更高階的情況,也是類似的過程,只是涉及到二階微分關係而已,或者使用狀態空間法,就化為等價一階微分方程組了(只不過是用矩陣方法解耦後使用矩陣積分),而二階是通過代換,可以積分兩次得到積分曲線,或者使用積分因子來湊全微分公式。

帶有根號的微分方程應當怎麼解?例如微分方程 dy dx 根號下(x y 3 ?

電渺陶琅 兩邊平方後再對x求導,可以得到乙個關於y 和y 的方程 都是對x求導 然後把y 看作變數就是乙個一階微分方程,可以解出僅含x和y 的方程。到了這一步就會發現y 沒有x的初等表示了,除非引入朗伯W函式這樣的函式。用這種方法一定要注意最後求出來的表示式只是必要非充分條件,通常會含有一些待定常數...

這個微分方程的通解怎麼解?

cOtjeX 先利用Laplace變換求特解,即考慮初值問題對方程左右同時進行Laplace變換,有 這裡用到了Laplace變換的導數定理 整理一下,得到關於 的代數方程 解得 故有 接著求齊次方程 的通解 這個齊次方程的特徵方程為 解得 故該齊次方程的通解為 綜上所述,原方程的通解為 其中 為常...

解微分方程主要是在幹什麼事?為什麼要解微分方程?

Awaken 其他答主都回答地很專業,非常數學化。不過非數學專業和未接觸很多大學數學知識的人,可能看不太明白。先說微分方程是什麼。很簡單,可以暫時理解為方程中同時有y和dy y的微分 如 y dy dx 0 代數方程常用的待定係數法等,似乎都不能直接用於求解。於是數學家們開始研究如何求解,最終很聰明...