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講解拉普拉斯方程的課本

圖文 更新时间:2024-07-30 08:46:30

講解拉普拉斯方程的課本(微分方程-拉普拉斯的魔法)1

下文節選自《數學與生活》(修訂版), 已獲圖靈新知授權許可, [遇見數學] 特此表示感謝!

掌握了微分方程這一有力工具的自然科學家們, 以此為武器着手于揭開自然的秘密。尤其在天文學界獲得了驚人的成功。這是由于有了萬有引力定律,極易建立微分方程的緣故。例如三個天體在萬有引力作用下運動時的微分方程,按圖 14-24 所示是容易建立的。這三個天體可以看作是太陽、地球和月球或者地球、月球和人造衛星。

講解拉普拉斯方程的課本(微分方程-拉普拉斯的魔法)2

這就是以前很難解決的"三天體問題". 至少到現在為止所掌握的函數知識并不夠用。就這個意義上來說,它仍是世界上有名的難題。

當然,解決這個三天體問題是有辦法的。例如,利用無窮級數的展開,就能夠求得所希望的精确解。

天文學家利用解微分方程,能夠預言幾年後的日食将在何日的何時何分何秒發生以及持續多長時間。這種關于日食的預言向市民們顯示了數學的威力。

給出了微分方程,并确定了其中某一時刻的位置和速度,就能獲得一種解答。牛頓說過最初的推動力系山上帝給予,以後就沒有任何幹預了。即是說上帝給出了某一時刻太陽系運動的狀态,而後一切就與神的意志無關了。

數學在天文學中的成功,給予了當時的宇宙觀以重大影響。這就促使自然科學家堅定了自豪的信心。拉普拉斯(17一1827)這樣說道:

“我們應當把宇宙的現在狀态看作是過去狀态的結果和朱來狀态的原因。

假如我們具有能夠知道在任一瞬問,使自然界運動的一切的力和構成自然界的物體的相互位置這種智能一一為了分析那些資料而需具備的巨大的智能的話,就可以用一個統一式子把巨大的天體運動和微小的原子運動都包括進去。這樣,不确鑿的事物立刻就會呈現出其過去、現在和未來的統一面目。"

這種“巨大的智能”就是俗話所說的“拉普拉斯的魔法”,即打算把宇宙間所有物體的運動都用一個統一的微分方程來描述,從中能夠得知任一時刻它們的狀态。隻要能解出這個方程,就能全部洞悉過去和未來的一切。

拉普拉斯當然不知道有誰能解決這樣的問題。然而随着科學技術的進步,相信人類的智能将向“拉普拉斯的魔法”這種境地接近。

對于人類的智慧有這樣強的自信,可以說是由當時的宇宙觀決定的。(14.10節完)

講解拉普拉斯方程的課本(微分方程-拉普拉斯的魔法)3

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