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。