stringtranslate.com

Дифференциальное уравнение

Визуализация теплопередачи в корпусе насоса, созданная путем решения уравнения теплопроводности . Тепло генерируется внутри корпуса и охлаждается на границе, обеспечивая устойчивое распределение температуры.

В математике дифференциальное уравнение — это уравнение , которое связывает одну или несколько неизвестных функций и их производных . [1] В приложениях функции обычно представляют физические величины, производные представляют скорость их изменения, а дифференциальное уравнение определяет связь между ними. Такие отношения распространены; поэтому дифференциальные уравнения играют заметную роль во многих дисциплинах, включая инженерное дело , физику , экономику и биологию .

Изучение дифференциальных уравнений состоит главным образом из изучения их решений (набора функций, удовлетворяющих каждому уравнению) и свойств их решений. Лишь простейшие дифференциальные уравнения разрешимы явными формулами; однако многие свойства решений данного дифференциального уравнения можно определить без их точного вычисления.

Часто, когда выражение для решений в замкнутой форме недоступно, решения можно аппроксимировать численно с помощью компьютеров. В теории динамических систем упор делается на качественный анализ систем, описываемых дифференциальными уравнениями, при этом разработано множество численных методов определения решений с заданной степенью точности.

История

Дифференциальные уравнения появились с изобретением исчисления Исааком Ньютоном и Готфридом Лейбницем . В главе 2 своей работы 1671 года Methodus fluxionum et Serierum Infinitarum [2] Ньютон перечислил три вида дифференциальных уравнений :

Во всех этих случаях y — неизвестная функция от x (или от x 1 и x 2 ), а f — заданная функция.

Он решает эти и другие примеры, используя бесконечные ряды, и обсуждает неединственность решений.

Якоб Бернулли предложил дифференциальное уравнение Бернулли в 1695 году. [3] Это обыкновенное дифференциальное уравнение вида

для которой в следующем году Лейбниц получил решение, упростив ее. [4]

Исторически проблему вибрирующей струны, например, музыкального инструмента, изучали Жан ле Рон д'Аламбер , Леонард Эйлер , Даниэль Бернулли и Жозеф-Луи Лагранж . [5] [6] [7] [8] В 1746 году Даламбер открыл одномерное волновое уравнение , а в течение десяти лет Эйлер открыл трехмерное волновое уравнение. [9]

Уравнение Эйлера –Лагранжа было разработано в 1750-х годах Эйлером и Лагранжем в связи с исследованием ими проблемы таутохрона . Это задача определения кривой, по которой взвешенная частица упадет в фиксированную точку за фиксированный промежуток времени, независимо от начальной точки. Лагранж решил эту задачу в 1755 году и отправил решение Эйлеру. Оба далее развили метод Лагранжа и применили его к механике , что привело к формулировке лагранжевой механики .

В 1822 году Фурье опубликовал свою работу о тепловом потоке в «Аналитической теории тепла» [ 10] , в которой он основывал свои рассуждения на законе охлаждения Ньютона , а именно, что поток тепла между двумя соседними молекулами пропорциональна чрезвычайно малой разнице их температур. В этой книге содержится предложение Фурье его уравнения теплопроводности для кондуктивной диффузии тепла. Это уравнение в частных производных теперь является обычной частью учебной программы по математической физике.

Пример

В классической механике движение тела описывается его положением и скоростью при изменении значения времени. Законы Ньютона позволяют выражать эти переменные динамически (с учетом положения, скорости, ускорения и различных сил, действующих на тело) в виде дифференциального уравнения для неизвестного положения тела как функции времени.

В некоторых случаях это дифференциальное уравнение (называемое уравнением движения ) можно решить явно.

Примером моделирования реальной задачи с использованием дифференциальных уравнений является определение скорости мяча, падающего в воздухе, с учетом только силы тяжести и сопротивления воздуха. Ускорение мяча по направлению к земле равно ускорению силы тяжести минус замедление, вызванное сопротивлением воздуха. Гравитация считается постоянной, а сопротивление воздуха можно смоделировать как пропорциональное скорости мяча. Это означает, что ускорение мяча, которое является производной его скорости, зависит от скорости (а скорость зависит от времени). Нахождение скорости как функции времени включает решение дифференциального уравнения и проверку его достоверности.

Типы

Дифференциальные уравнения можно разделить на несколько типов. Помимо описания свойств самого уравнения, эти классы дифференциальных уравнений могут помочь в выборе подхода к решению. Обычно используемые различия включают в себя то, является ли уравнение обыкновенным или частным, линейным или нелинейным, гомогенным или гетерогенным. Этот список далеко не исчерпывающий; существует множество других свойств и подклассов дифференциальных уравнений, которые могут быть очень полезны в определенных контекстах.

Обыкновенные дифференциальные уравнения

Обыкновенное дифференциальное уравнение ( ОДУ ) — это уравнение, содержащее неизвестную функцию одной действительной или комплексной переменной x , ее производных и некоторых заданных функций от x . Неизвестная функция обычно представляется переменной ( часто обозначаемой y ), которая, следовательно, зависит от x . Таким образом, x часто называют независимой переменной уравнения. Термин « обычное » используется в отличие от термина « уравнение в частных производных» , которое может относиться к более чем одной независимой переменной.

Линейные дифференциальные уравнения — это дифференциальные уравнения, линейные относительно неизвестной функции и ее производных. Их теория хорошо разработана, и во многих случаях их решения можно выразить через интегралы .

Большинство ОДУ, встречающихся в физике , являются линейными. Следовательно, большинство специальных функций можно определить как решения линейных дифференциальных уравнений (см. Голономная функция ).

Поскольку, как правило, решения дифференциального уравнения не могут быть выражены выражением в замкнутой форме , для решения дифференциальных уравнений на компьютере обычно используются численные методы .

Уравнения в частных производных

Уравнение в частных производных ( ЧДУ ) — это дифференциальное уравнение, которое содержит неизвестные функции многих переменных и их частные производные . (В отличие от обычных дифференциальных уравнений , которые имеют дело с функциями одной переменной и их производными.) УЧП используются для формулирования задач, включающих функции нескольких переменных, и либо решаются в замкнутой форме, либо используются для создания соответствующего компьютера . модель .

PDE можно использовать для описания широкого спектра явлений в природе, таких как звук , тепло , электростатика , электродинамика , поток жидкости , упругость или квантовая механика . Эти, казалось бы, разные физические явления могут быть формализованы аналогичным образом в терминах УЧП. Точно так же, как обыкновенные дифференциальные уравнения часто моделируют одномерные динамические системы , уравнения в частных производных часто моделируют многомерные системы . Стохастические уравнения в частных производных обобщают уравнения в частных производных для моделирования случайности .

Нелинейные дифференциальные уравнения

Нелинейное дифференциальное уравнение — дифференциальное уравнение, не являющееся линейным уравнением относительно неизвестной функции и ее производных (линейность или нелинейность в аргументах функции здесь не учитываются). Существует очень мало методов точного решения нелинейных дифференциальных уравнений; те, которые известны, обычно зависят от уравнения, имеющего определенную симметрию . Нелинейные дифференциальные уравнения могут демонстрировать очень сложное поведение в течение длительных интервалов времени, характерное для хаоса . Даже фундаментальные вопросы существования, единственности и расширяемости решений нелинейных дифференциальных уравнений, а также корректности начальных и краевых задач для нелинейных УЧП являются трудными проблемами, и их решение в частных случаях считается значительным достижением математической науки. теория (ср. существование и гладкость Навье – Стокса ). Однако если дифференциальное уравнение является правильно сформулированным представлением значимого физического процесса, то можно ожидать, что оно имеет решение. [11]

Линейные дифференциальные уравнения часто появляются как приближения к нелинейным уравнениям. Эти приближения действительны только в ограниченных условиях. Например, уравнение гармонического осциллятора является приближением к нелинейному уравнению маятника, справедливому для колебаний небольшой амплитуды.

Порядок и степень уравнения

Порядок дифференциального уравнения — это высший порядок производной неизвестной функции, которая входит в дифференциальное уравнение. Например, уравнение, содержащее только производные первого порядка, является дифференциальным уравнением первого порядка , уравнение, содержащее производную второго порядка , — дифференциальным уравнением второго порядка и так далее. [12] [13]

Когда оно записано в виде полиномиального уравнения относительно неизвестной функции и ее производных, его степенью дифференциального уравнения является, в зависимости от контекста, степень полинома в высшей производной неизвестной функции [14] или его полная степень в неизвестная функция и ее производные. В частности, линейное дифференциальное уравнение имеет степень единицу для обоих значений, а нелинейное дифференциальное уравнение имеет степень единицу для первого значения, но не для второго.

Дифференциальные уравнения, описывающие природные явления, почти всегда имеют в себе производные только первого и второго порядка, но есть некоторые исключения, такие как уравнение тонкой пленки , которое представляет собой уравнение в частных производных четвертого порядка.

Примеры

В первой группе примеров u — неизвестная функция от x , а c и ω — константы, которые предположительно известны. Две широкие классификации как обыкновенных уравнений, так и уравнений в частных производных состоят из различия между линейными и нелинейными дифференциальными уравнениями, а также между однородными дифференциальными уравнениями и гетерогенными .

В следующей группе примеров неизвестная функция u зависит от двух переменных x и t или x и y .

Наличие решений

Решение дифференциальных уравнений не похоже на решение алгебраических уравнений . Мало того, что их решения часто неясны, но вопрос о том, являются ли решения уникальными или существуют вообще, также представляет значительный интерес.

Для задач с начальными значениями первого порядка теорема существования Пеано дает один набор обстоятельств, при которых существует решение. Для любой точки плоскости xy определите некоторую прямоугольную область такую, что и находится внутри . Если нам дано дифференциальное уравнение и условие, что когда , то существует локальное решение этой проблемы, если и оба непрерывны на . Это решение существует на некотором интервале с центром в . Решение может быть не единственным. ( Другие результаты см. в разделе «Обыкновенное дифференциальное уравнение ».)

Однако это помогает нам только с проблемами начального значения первого порядка . Предположим, у нас есть линейная начальная задача n-го порядка:

такой, что

Для любого ненулевого , если и непрерывны на некотором интервале, содержащем , единственно и существует. [15]

Связанные понятия

Связь с разностными уравнениями

Теория дифференциальных уравнений тесно связана с теорией разностных уравнений , в которой координаты принимают только дискретные значения, а связь включает значения неизвестной функции или функций и значения в близлежащих координатах. Многие методы численного решения дифференциальных уравнений или изучения свойств дифференциальных уравнений включают аппроксимацию решения дифференциального уравнения решением соответствующего разностного уравнения.

Приложения

Исследование дифференциальных уравнений — обширная область чистой и прикладной математики , физики и техники . Все эти дисциплины изучают свойства дифференциальных уравнений различных типов. Чистая математика фокусируется на существовании и единственности решений, тогда как прикладная математика подчеркивает строгое обоснование методов аппроксимации решений. Дифференциальные уравнения играют важную роль в моделировании практически каждого физического, технического или биологического процесса: от движения небесных тел до конструкции мостов и взаимодействия между нейронами. Дифференциальные уравнения, подобные тем, которые используются для решения реальных задач, не обязательно могут быть решаемы напрямую, то есть не иметь решений в замкнутой форме . Вместо этого решения можно аппроксимировать с помощью численных методов .

Многие фундаментальные законы физики и химии можно сформулировать в виде дифференциальных уравнений. В биологии и экономике дифференциальные уравнения используются для моделирования поведения сложных систем. Математическая теория дифференциальных уравнений впервые развивалась вместе с науками, в которых эти уравнения возникли и где их результаты нашли применение. Однако разнообразные проблемы, иногда возникающие в совершенно разных научных областях, могут привести к появлению одинаковых дифференциальных уравнений. Всякий раз, когда это происходит, математическую теорию, лежащую в основе уравнений, можно рассматривать как объединяющий принцип, лежащий в основе различных явлений. В качестве примера рассмотрим распространение света и звука в атмосфере и волн на поверхности пруда. Все они могут быть описаны одним и тем же уравнением в частных производных второго порядка , волновым уравнением , которое позволяет нам думать о свете и звуке как о формах волн, очень похожих на знакомые волны в воде. Теплопроводность, теория которой была разработана Жозефом Фурье , определяется другим уравнением в частных производных второго порядка — уравнением теплопроводности . Оказывается, многие диффузионные процессы, хотя и разные, но описываются одним и тем же уравнением; уравнение Блэка -Шоулза в финансах, например, связано с уравнением теплопроводности.

Количество дифференциальных уравнений, получивших название, в различных научных областях является свидетельством важности темы. См. Список именованных дифференциальных уравнений .

Программное обеспечение

Некоторые программы CAS могут решать дифференциальные уравнения. Вот команды, используемые в ведущих программах:

Смотрите также

Рекомендации

  1. Деннис Г. Зилл (15 марта 2012 г.). Первый курс дифференциальных уравнений с приложениями для моделирования. Cengage Обучение. ISBN 978-1-285-40110-2.
  2. ^ Ньютон, Исаак. (около 1671 г.). Methodus Fluxionum et Serierum Infinitarum (Метод флюксий и бесконечных серий), опубликованный в 1736 году [Opuscula, 1744, Vol. И. п. 66].
  3. ^ Бернулли, Якоб (1695), «Объяснения, аннотации и дополнения к еа, что в Actis sup. de Curva Elastica, Isochrona Paracentrica и Velaria, hinc inde memorata и paratim controversa legundur; ubi de Linea mediarum Directionum, Alliisque Novis» , Акта Эрудиторум
  4. ^ Хайрер, Эрнст; Норсетт, Сиверт Пол; Ваннер, Герхард (1993), Решение обыкновенных дифференциальных уравнений I: Нежесткие задачи , Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag , ISBN 978-3-540-56670-0
  5. ^ Фрейзер, Крейг (июль 1983 г.). «Обзор книги Джона Т. Кэннона и Сигалии Достровского «Эволюция динамики и теории вибрации с 1687 по 1742 год»» (PDF) . Бюллетень Американского математического общества . Новая серия. 9 (1).
  6. ^ Уилер, Джерард Ф.; Крамметт, Уильям П. (1987). «Спор о вибрирующей струне». Являюсь. Дж. Физ. 55 (1): 33–37. Бибкод : 1987AmJPh..55...33W. дои : 10.1119/1.15311.
  7. ^ Специальный сборник из 9 новаторских статей трех авторов см. в разделе «Первое появление волнового уравнения: Даламбер, Леонард Эйлер, Даниэль Бернулли». - спор о вибрирующих струнах. Архивировано 9 февраля 2020 г. в Wayback Machine (получено 13 ноября 2012 г.). Герман Х. Дж. Линге и сын.
  8. ^ Информацию о вкладе де Лагранжа в уравнение акустической волны можно найти в журнале «Акустика: введение в физические принципы и приложения» Аллана Д. Пирса, Acoustical Soc of America, 1989; страница 18. (получено 9 декабря 2012 г.)
  9. ^ Спейзер, Дэвид. Открытие принципов механики 1600-1800 , с. 191 (Базель: Биркхойзер, 2008).
  10. ^ Фурье, Жозеф (1822). Théorie Analytique de la Chaleur (на французском языке). Париж: Firmin Didot Père et Fils. ОСЛК  2688081.
  11. ^ Бойс, Уильям Э.; ДиПрима, Ричард К. (1967). Элементарные дифференциальные уравнения и краевые задачи (4-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 3.
  12. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Обыкновенное дифференциальное уравнение порядка». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/OrdinaryDifferentialEquationOrder.html
  13. Порядок и степень дифференциального уравнения. Архивировано 1 апреля 2016 г. на Wayback Machine , по состоянию на декабрь 2015 г.
  14. ^ Элиас Лумис (1887). Элементы дифференциального и интегрального исчисления (переработанная ред.). Харпер и братья, с. 247.Выдержка со страницы 247
  15. ^ Зилл, Деннис Г. (2001). Первый курс дифференциальных уравнений (5-е изд.). Брукс/Коул. ISBN 0-534-37388-7.
  16. ^ Чен, Рикки TQ; Рубанова Юлия; Бетанкур, Джесси; Дювено, Давид (19 июня 2018 г.). «Нейронные обыкновенные дифференциальные уравнения». arXiv : 1806.07366 [cs.LG].
  17. ^ «dsolve — Помощь по программированию Maple» . www.maplesoft.com . Проверено 9 мая 2020 г.
  18. ^ "DSolve - Документация по языку Wolfram" . www.wolfram.com . Проверено 28 июня 2020 г.
  19. ^ Шелтер, Уильям Ф. Гертнер, Борис (ред.). «Дифференциальные уравнения - символические решения». Программа компьютерной алгебры Maxima — учебник (в документации Maxima на SourceForge ) . Архивировано из оригинала 4 октября 2022 г.
  20. ^ «Основы алгебры и исчисления — Учебное пособие Sage v9.0» . doc.sagemath.org . Проверено 9 мая 2020 г.
  21. ^ "ОДА". Документация SymPy 1.11 . 22 августа 2022 г. Архивировано из оригинала 26 сентября 2022 г.
  22. ^ «Символическая алгебра и математика с Xcas» (PDF) .

дальнейшее чтение

Внешние ссылки