常微分方程

2011-11-23  崇武大地...

常微分方程

编辑本段概念

  方程对于学过中学数学的人来说是比较熟悉的;在初等数学中就有各种各样的方程,比如线性方程二次方程高次方程、指数方程、对数方程、三角方程方程组等等。这些方程都是要把研究的问题中的已知数和未知数之间的关系找出来,列出包含一个未知数或几个未知数的一个或者多个方程式,然后取求方程的解。
  但是在实际工作中,常常出现一些特点和以上方程完全不同的问题。比如:物质在一定条件下的运动
  

常微分方程

变化,要寻求它的运动、变化的规律;某个物体在重力作用下自由下落,要寻求下落距离随时间变化的规律;火箭在发动机推动下在空间飞行,要寻求它飞行的轨道,等等。
  物质运动和它的变化规律在数学上是用函数关系来描述的,因此,这类问题就是要去寻求满足某些条件的一个或者几个未知函数。也就是说,凡是这类问题都不是简单地去求一个或者几个固定不变的数值,而是要求一个或者几个未知的函数。
  解这类问题的基本思想和初等数学解方程的基本思想很相似,也是要把研究的问题中已知函数和未知函数之间的关系找出来,从列出的包含未知函数的一个或几个方程中去求得未知函数的表达式。但是无论在方程的形式、求解的具体方法、求出解的性质等方面,都和初等数学中的解方程有许多不同的地方。
  在数学上,解这类方程,要用到微分和导数的知识。因此,凡是表示未知函数的导数以及自变量之间的关系的方程,就叫做微分方程
  微分方程差不多是和微积分同时先后产生的,苏格兰数学家耐普尔创立对数的时候,就讨论过微分方程的近似解。牛顿在建立微积分的同时,对简单的微分方程用级数来求解。后来瑞士数学家雅各布·贝努利、欧拉、法国数学家克雷洛、达朗贝尔、拉格朗日等人又不断地研究和丰富了微分方程的理论。
  常微分方程的形成与发展是和力学、天文学、物理学,以及其他科学技术的发展密切相关的。数学的其他分支的新发展,如复变函数、李群、组合拓扑学等,都对常微分方程的发展产生了深刻的影响,当前计算机的发展更是为常微分方程的应用及理论研究提供了非常有力的工具。
  牛顿研究天体力学和机械力学的时候,利用了微分方程这个工具,从理论上得到了行星运动规律。后来,法国天文学家勒维烈和英国天文学家亚当斯使用微分方程各自计算出那时尚未发现的海王星的位置。这些都使数学家更加深信微分方程在认识自然、改造自然方面的巨大力量。
  微分方程的理论逐步完善的时候,利用它就可以精确地表述事物变化所遵循的基本规律,只要列出相应的微分方程,有了解方程的方法。微分方程也就成了最有生命力的数学分支。

编辑本段常微分方程的内容

  定义1 凡含有参数,未知函数和未知函数导数 (或微分) 的方程,称为微分方程,有时简称为方程,未知函数是一元函数的微分方程称作常微分方程,未知数是多元函数的微分方程称作偏微分方程.微分方程中出现的未知函数最高阶导数的阶数,称为微分方程的阶.定义式如下: F(x, y, y¢, ...., y(n)) = 0
  定义2 任何代入微分方程后使其成为恒等式的函数,都叫做该方程的解.若微分方程的解中含有任意常数的个数与方程的阶数相同,且任意常数之间不能合并,则称此解为该方程的通解(或一般解).当通解中的各任意常数都取特定值时所得到的解,称为方程的特解.
  一般地说,n 阶微分方程的解含有 n个任意常数。也就是说,微分方程的解中含有任意常数的个数和方程的阶数相同,这种解叫做微分方程的通解。通解构成一个函数族。
  如果根据实际问题要求出其中满足某种指定条件的解来,那么求这种解的问题叫做定解问题,对于一个常微分方程的满足定解条件的解叫做特解。对于高阶微分方程可以引入新的未知函数,把它化为多个一阶微分方程组。

编辑本段常微分方程的特点

  
  

常微分方程

常微分方程的概念、解法、和其它理论很多,比如,方程和方程组的种类及解法、解的存在性和唯一性、奇解、定性理论等等。下面就方程解的有关几点简述一下,以了解常微分方程的特点。
  求通解在历史上曾作为微分方程的主要目标,一旦求出通解的表达式,就容易从中得到问题所需要的特解。也可以由通解的表达式,了解对某些参数的依赖情况,便于参数取值适宜,使它对应的解具有所需要的性能,还有助于进行关于解的其他研究。
  后来的发展表明,能够求出通解的情况不多,在实际应用中所需要的多是求满足某种指定条件的特解。当然,通解是有助于研究解的属性的,但是人们已把研究重点转移到定解问题上来。
  一个常微分方程是不是有特解呢?如果有,又有几个呢?这是微分方程论中一个基本的问题,数学家把它归纳成基本定理,叫做存在和唯一性定理。因为如果没有解,而我们要去求解,那是没有意义的;如果有解而又不是唯一的,那又不好确定。因此,存在和唯一性定理对于微分方程的求解是十分重要的。
  大部分的常微分方程求不出十分精确的解,而只能得到近似解。当然,这个近似解的精确程度是比较高的。另外还应该指出,用来描述物理过程的微分方程,以及由试验测定的初始条件也是近似的,这种近似之间的影响和变化还必须在理论上加以解决。

编辑本段常微分方程的应用

  现在,常微分方程在很多学科领域内有着重要的应用,自动控制、各种电子学装置的设计、弹道的计算、飞机和导弹飞行的稳定性的研究、化学反应过程稳定性的研究等。这些问题都可以化为求常微分方程的解,或者化为研究解的性质的问题。应该说,应用常微分方程理论已经取得了很大的成就,但是,它的现有理论也还远远不能满足需要,还有待于进一步的发展,使这门学科的理论更加完善。

编辑本段常微分方程的发展

  20世纪以来,随着大量的边缘科学诸如电磁流体力学、化学流体力学、动力气象学、海洋动力学、地下水动力学等等的产生和发展,也出现不少新型的微分方程(特别是方程组)。70年代随着数学向化学和生物学的渗透,出现了大量的反应扩散方程。
  从“求通解”到“求解定解问题” 数学家们首先发现微分方程有无穷个解。常微分方程的解会含有一个或多个任意常数,其个数就是方程的阶数。偏微分方程的解会含有一个或多个任意函数,其个数随方程的阶数而定。命方程的解含有的任意元素(即任意常数或任意函数)作尽可能的变化,人们就可能得到方程所有的解,于是数学家就把这种含有任意元素的解称为“通解”。在很长一段时间里,人们致力于“求通解”。但是以下三种原因使得这种“求通解”的努力,逐渐被放弃。
  

常微分方程

第一,能求得通解的方程显然是很少的。在常微分方程方面,一阶方程中可求得通解的,除了线性方程、可分离变量方程和用特殊方法变成这两种方程的方程之外,为数是很小的。高阶方程中,线性方程仍可以用叠加原理求解,即□阶齐次方程的通解是它的□个独立特解的线性组合,其系数是任意常数。非齐次方程的通解等于相应齐次方程的通解加上非齐次方程的特解,这个特解并且可以用常数变易法通过求积分求得。求齐次方程的特解,当系数是常数时可归结为求一代数方程的根,这个代数方程的次数则是原方程的阶数;当系数是变数时,则只有二种极特殊的情况(欧拉方程拉普拉斯方程)可以求得。至于非线性高阶方程则除了少数几种可降阶情形(如方程(1)就是这几种情形都有的一个方程)之外,可以求得通解的为数就更小了。□阶方程也可以化为一阶方程组(未知函数的个数和方程的个数都等于 □)早已为人们所知,并且在此后起着一定作用,但对通解的寻求仍无济于事。
  在偏微分方程方面,一阶方程可以归结为一阶常微分方程组,但是如上所述,一阶常微分方程组可以求得通解的还是很少的。高阶方程中几乎只有少数二阶方程(如□,以及□,当用瀑布法时在一系列不变量中有一个开始为零的情形,和少数极个别的非线性方程如□□-□□□=□0等等)可以求得通解。在线性情形,推广常数变易法则是杜阿美原理。

编辑本段常微分方程的分支学科

  算术、初等代数、高等代数、数论、欧式几何、非欧几何、解析几何、微分几何、代数几何学、射影几何学、拓扑学、分形几何、微积分学、实变函数论、概率和数理统计、复变函数论、泛函分析、偏微分方程、数理逻辑、模糊数学、运筹学、计算数学、突变理论、数学物理学

编辑本段常微分方程实例

  下下列方程都是微分方程 (其中 y, v, q 均为未知函数).
  (1) y?= kx, k 为常数;
  (2) ( y - 2xy) dx + x2 dy = 0;
  (3) mv?(t) = mg - kv(t);

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