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理解微积分真谛:微分方程

精要复习

前面我们讲了导数/微分:

“导数”是函数的原因,函数是“导数”的结果。

引出了积分:

不定积分,是把函数降维投影,求到了一系列的投影 F(x) +C。

定积分,是“原因”f(x) 经过一段过程(a to b)所造成的结果改变。

微分方程

如果您从前面的专栏一路学过来,就会有一种感觉,“微积分”的核心对象并不是“微分”与“积分”,其实应该是:

原函数 与 导函数

而微分积分只是研究原函数与导函数之间关系的一种方法。

规律,就是函数

如果,我们知道原函数与导函数之间的关系,如何求出原函数呢?这就是:

微分方程(Differential equation,DE)

比如,函数 y=x 的导数为1,那么反过来问:什么函数的导数为1呢——

y" = 1

这就是最简单的微分方程了。解就是:

y = x+C

微分方程中所出现的未知函数的最高阶导数的阶数,叫做微分方程的——

所以上面就是一阶微分方程

那为啥解里多个 C 呢,因为很显然,x+C 的导数也是1呀,它也满足方程给出的条件。

除非再加个条件:

y(0) = 0

这样,解就只能是 y=x 了,这种条件叫做

微分方程的初始条件

微分方程——DE

微分方程的应用

微分方程的应用太多太多,甚至我们可以说,微积分能有今天这种科学基石的地位,很大一部分来自微分方程

例几个应用一看便知:

力学

动力学中的牛顿第二运动定律

欧拉-拉格朗日方程

哈密顿力学

热力学

热力学中的牛顿冷却定律

热力学中的热传导方程

电磁学

麦克斯韦方程

流体力学

纳维-斯托克斯方程

对流-扩散方程

导管中气流的仿真:纳维-斯托克斯方程

材料学

泊松方程

生物学

威尔霍斯特方程–生物族群增长模型

生物个体增长模型

洛特卡-沃尔泰拉方程–掠食者和猎物的动态模型

经济学

布莱克-休斯方程

索洛模型

马尔萨斯模型

太多了

广义相对论中的爱因斯坦场方程

量子力学中的薛定谔方程

复变分析中的柯西-黎曼方程

分子动力学中的泊松-玻尔兹曼方程

根本数不过来,可以说,没有微分方程,就没有现代科学。

为啥应用这么广

还记得我们前面讲过的么——

“导数”是函数的原因,函数是“导数”的结果。

要解释物体的位移现象,就要研究速度;要解释速度,就要研究加速度。

研究一个量的导数的规律,才有可能从根本上理解这个量的规律。

微积分——研究世界的内在规律

微分方程

列出微分方程就算是解决了一大半问题,另一半就是解方程了。

然而事实上,微分方程不太好解,教材上一般也就列举了几种很特殊的微分方程的解法,但其实真到了使用微分方程的时候,往往不在这几种列举的范围之内。

所以,除要考试或以数学为专业外,建议不要花时间在学习如何手算解微分方程上。

这个时代,直接用计算机求解呗!这么好的工具,一定要擅于使用。

"君子生非异也,善假于物也"

——《劝学》

计算机是最好的帮手

MATLAB求解微分方程解析解

微分方程的解析解,就是要求出函数的表达式。

MATLAB中,一般用这个函数就能搞定:

dsolve

例,解方程

syms a y(t)eqn = diff(y,t) == a*y;dsolve(eqn)ans =C2*exp(a*t)

简单吧,注意方程里的等号,要写成“==”。

(MATLAB中,==表示等于,=表示赋值)

高阶的也一样啊:

syms y(t) aeqn = diff(y,t,2) == a*y;ySol(t) = dsolve(eqn)ySol(t) =C2*exp(-a^(1/2)*t) + C3*exp(a^(1/2)*t)

如果有初始条件,就把初始条件也写成一个方程的形式,跟在方程后面,如:

syms y(t) aeqn = diff(y,t) == a*y;cond = y(0) == 5;ySol(t) = dsolve(eqn,cond)ySol(t) =5*exp(a*t)

微分方程数值解

其实,能求出解析解的微分方程并不多,基本都是“线性微分方程”和“低阶的特殊微分方程”,一般的非线性微分方程根本求不出解析解,只能求出数值解。

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