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微分方程數值解的意義

生活 更新时间:2024-07-26 10:16:40

本文既可作為老少皆宜的休閑文章來看,也可作為本科生速成期末考試的靈丹妙藥(笑)

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)1

牛頓

什麼是微分方程呢,我們将通過幾個實例帶大家了解它。話不多說,讓我們開門見山

首先映入眼簾的是這樣一個實際問題

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)2

大家一眼看上去感覺很迷茫:兩個未知量xy,還有兩個微元小量 dx dy,然後是一個等式連接的,求解?是求誰的解呢?

這就是微分方程的一種形式之一,我們究竟是要幹什麼呢?我們要做的工作是把這個抽象的等式變成 y=f(x),這一求y=f(x)的過程就稱為求解:

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)3

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)4

但是有兩個未知量xy,還有微元小量 dx dy啊,怎麼處理就能把變成y=f(x)這種形式的方程組呢?真是讓人感到匪夷所思。不過,聰明的前人經過了多次失敗和試錯,終于是找到了辦法:

第一步,把它倒過去

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)5

然後:分離變量:

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)6

我們知道:

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)7

如果你懂最基本的微積分你就會看懂這個基本的微分公式(不懂可以看筆者之前的文章)

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)8

所以,我們可以得到:

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)9

c2-c1也可以,無所謂的,甚至加起來也無所謂,因為兩個c都是不确定的常數

把右邊ln加到左邊,根據ln乘法的性質,可以得到:

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)10

我們現在得到這樣一個東西

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)11

然後你問了,你不是說必須得到y=f(x)這種形式嗎?

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)12

說得不錯,于是我們繼續分析。

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)13

當x=±1的時候,C3=0,y是任意的。

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)14

當x≠±1的時候:

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)15

我們終于等式函數,使得y和x金蟬脫殼了。對于y=f(x)這樣的一元函數,我想大家已經了解其中的意義了吧?

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)16

我們把這兩種情況下的解合到一塊兒,就是所謂的通解,通解的意思就是所有情況的解。

我們發現y取決于C3,如果C3=0,不論x取什麼值,y都等于0。如果C3取個1,就有别的解了,如果隻把x等于±1看做上面那個等式的一種解,也是一種獨立的情況。

我們把某個特定情況(比如被初始條件限制)下的方程解叫“特解”。它隻是特定情況下的解,是被通解包括進去的。

這就是通解特解的大緻概念。我這個人向來不喜歡專業術語,大家知道意思就行了,正如我的一位朋友所言:認知皆模型我們要透過現象看本質。

微分方程數值解的意義(微分方程的意義是什麼)17

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