2020-02-25-微分方程(2)

Overview of Differential Equations

https://www.youtube.com/watch?v=ghjOS7Q82s0&list=PLUl4u3cNGP63oTpyxCMLKt_JmB0WtSZfG&index=2

一个典型的一阶的微分方程

$\frac { d y } { d t } = a y + q ( t )$

该方程描述的是y的变化率由y自己的解来决定,同时会在等式右端引入一个激励。这是一个线性的y的方程,因为y是一次的。

$\frac { d y } { d t } = f ( y )$

这可能是一个非线性的,因为$f(y)$可以是y的任何函数,可以是$y^2$、$sin(y)$、$e^y$等等可能形式。

这里可以形象的理解,y是弹簧的长度,$\frac { d y } { d t }$是弹簧长度的变化率。

二阶微分方程

$\frac { d ^ { 2 } y } { d t ^ { 2 } } = - k y$

二阶微分方程可理解为加速度,也是区间的弯折率(beding of a curve),一阶微分方程给的是曲线的方向,是上升还是下降,二阶微分方程给的是曲线向上弯还是向下弯,也就是凸函数还是凹函数。也可以理解为力的变化加速度,而线性的与y有关。

更一般的形式

$m y ^ { \prime \prime } + b y ^ { \prime } + k y = f(t)$

$m y ^ { \prime \prime }$理解为加速度乘以质量,第二项$b y ^ { \prime }$表示阻尼,速度的变化量,第三项是一些强制条款,取决于y自己,$f(t)$是一些外部因素。

我们可解的是线性常微分方程Linear Constant Coefficients,这样的微分方程我们认为是good equations。

对于不好的方程,比如非线性方程,比如不是常微分方程,即系数(m/k/b)是不变的方程,则需要用数值方法求解。

一个系统经常不止是一个方程,是Systems of n equations.

$\frac { d y } { d t }= A y$其中A是矩阵 $\frac { d ^ { 2 } y } { d t ^ { 2 } } = - S y$

特征值和特征向量。

数值解法很重要Numerical Solutions

目前很好用的方法是Ode45.

而Euler方法可看做是Ode1,Ode45具有更高的精度。“Ode 4 and 5”

偏微分方程,有2个变量,以下是热力学方程,时间以及x是空间向量。

$\frac { \partial u } { \partial t } = \frac { \partial ^ { 2 } u } { \partial x ^ { 2 } }$

以上是一个很重要常微分方程。(PDE,Partial differential equations)偏微分方程

$\frac { \partial ^ { 2 } u } { \partial t ^ { 2 } } = \frac { \partial ^ { 2 } u } { \partial x ^ { 2 } }$

上面是波动方程。

拉普拉斯方程。

$\frac { \partial ^ { 2 } u } { d x ^ { 2 } } + \frac { \partial ^ { 2 } u } { d y ^ { 2 } } = 0$