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理解微积分真谛:微分方程

4月12日 话藏心投稿
  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(atob)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(Differentialequation,DE)
  比如,函数yx的导数为1,那么反过来问:什么函数的导数为1呢
  1
  这就是最简单的微分方程了。解就是:
  yxC
  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
  阶
  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,xC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yx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
  麦克斯韦方程组
  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
  解微分方程
  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
  求微分方程的解析解,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:
  symsay(t)eqndiff(y,t)dsolve(eqn)ansC2exp(at)
  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:
  symsy(t)aeqndiff(y,t,2)ySol(t)dsolve(eqn)ySol(t)C2exp(a(12)t)C3exp(a(12)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:
  symsy(t)aeqndiff(y,t)condy(0)5;ySol(t)dsolve(eqn,cond)ySol(t)5exp(at)
  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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