常微分方程的应用

常微分方程与偏微分方程有哪些实际应用~

工程力学里一大半问题是要解微分方程的，比如弹性力学啦，振动力学啦，流体力学啦
不要总想着学什么然后可以用到哪里去。
先想问题，然后再想如何解决，这时候你可能才会想起原来自己还会微分方程

平面二次曲线方程含有五个参数，两端对x求五次微商，连同原方程共得六个方程，消去参数就得到微分方程。　 　(1)又如曲面变形论提出了微分方程组(2)几何学提出的微分方程很多。（J.-）G.达布的《曲面一般理论教程》一直是这方面值得参考的书。变分学中令积分取极值的必要条件欧拉方程一般是非线性微分方程（或组）。从理论上讲，若已知方程的通解，则只需选择其中的任意元素使之满足定解条件即可得出定解问题的解。而实际上这种选择往往是非常难的，更不用说求得通解的困难了。相反地，如果把出现在定解条件中的数据或多或少地变动一下都能求得方程的一个解，那么把这些数据作尽可能地变动时就可能求得方程所有的解即通解。就是采取了这种观点，柯西和K.（T.W.）外尔斯特拉斯几乎同时证明了常微分方程通解的存在性，而偏微分方程也从此得到了迅速的发展。 方程（或称泛定方程） 是加在含m个自变量x1，x2，…，xm的未知函数u及其各阶偏微商上的一个关系，即若把u和由它而得的它的各阶偏微商（至少是方程中出现的）都代入F中，则所得结果对于Rm中的某区域Ωm的所有内点x1，x2，…，xm来说，都要求恒等于零；但对于Ωm的边界点来说，并不作这样的要求。至于定解条件当xm=0时则是在Rm中(m-1)维流形xm=0上被满足的。这时，xm=0就称为支柱。xm=0有时是Ωm中的一个(m-1)维流形，有时就是Ωm的边界дΩm或дΩm的一部分。所谓当xm=0时有，就是在Ωm 内当xm=0附近任一点沿任一曲线趋近于xm=0上任一点(x嬼，x嬽，…，x圛)时，u趋近于u0(x嬼，x嬽，…，x圛)。在这种理解下，P.班勒卫指出了这时u0(x1,x2,…，xm-1)应是连续的。定解条件当 时， ，当然也应是在Rm中一(m－1)维流形xm=0上被满足的。这时， 仍被称为支柱，但对微商取值的理解有两种：一是把它看作当 趋近于0时的极限。二是把它看作当xm趋近于0时的极限。显然，若第二种理解成立则第一种理解必然成立。反之则不尽然。应该指出，也可以用或 ，或更一般地用Rm中任何一个(m-1)维流形来代替xm=0，它们这时也都被称为支柱。对函数取值和微商取值若要作上述理解，还需对支柱作必要的正规要求，例如支柱至少是一个若尔当流形等等。由于一阶常微分方程的一般形式是F(x,y,y┡)=0，要应用柯西定理，就必需应用隐函数理论解出y┡。在不满足隐函数定理的条件的情况，常常就是产生奇解的情况。克莱罗方程就是一个最简单的例子。定解问题研究的开展，大大帮助了对奇解的了解。柯西提出定解问题的时代也是复变函数论开始蓬勃发展的时代，“两个实域真理间的最短途径时常是通过一个复真理的”影响，这是当时特别流行的说法，复域里常微分方程理论（即复解析理论）得到了发展。从推广柯西定理的布里奥-布凯定理，从（J.-）H.庞加莱的工作到班勒卫、J.马尔姆奎斯特等人的工作，最引人注目的是在线性方程方面，从I.L.富克斯的结果开始一直到庞加莱的自守函数理论已很完整。但是在非线性方面显然没有取得如此令人满意的成果，其原因可能是多复变函数的奇点理论和解析开拓尚有待发展。 不是泛定方程（E2）唯一可以提出的定解问题。人们还可以提出如下的边值问题（相当于二阶偏微分方程的狄利克雷问题）：(D1)：这两个问题均可归结为线性积分方程。前者可归结为第二种沃尔泰拉积分方程，后者则是第二种弗雷德霍姆积分方程。沃尔泰拉方程可以看作弗雷德霍姆方程的特例，但不同的是后者有本征值、本征函数问题，而前者没有。边值问题和由它而引起的本征值、本征函数问题，不仅有理论上的价值，为人们提供很多特殊函数,而且有实用价值（特征值问题在大型建筑中必需考虑到）。在椭圆型偏微分方程的边值问题中同样也引起本征值和本征函数问题。在柯西的倡导下，人们从“求通解”的时代进入了“求解定解问题”的时代，随着庞加莱的定性理论,常微分方程又从“求解定解问题”的时代进入“求所有解”的时代。稍后，D.伯克霍夫在动力系统方面开辟了一个新领域。进入21世纪以来，由于拓扑方法的渗入，更加得到发展。苏联Α.М.李亚普诺夫在运动稳定性方面的工作，对天文学、物理学以及工程技术有广泛应用，极受重视。此外，在考虑时滞问题时，人们还创立了差分微分方程。进入21世纪以来，泛函微分方程有很大发展。泛函微分方程是差分微分方程的推广。柯西曾把他有关常微分方程方面的结果推广到一阶偏微分方程组的柯西问题，但他在偏微分方程中所考虑的方程并没有象在常微分方程中所考虑的方程那样有代表性。因此，后来又引进了模组的概念，柯西和稍后的С.Β.柯瓦列夫斯卡娅都用长函数法证明了模组柯西问题的解析解是唯一存在的。模的概念显然依赖于支柱。从而引入了特征的概念。应特别注意，有些组的特征表达式A能恒等于零，其中有些方程组是比较重要的，例如方程(2)就是这样的，广义相对论的基本方程组也是这样的。20世纪初才由E.霍姆格伦在方程是非重特征的、系数是解析的、支柱是解析的而非特征的条件下，证明了解的唯一性。阿达马指出，只要能在方程是非重特征的、系数是非解析的、支柱是非特征的条件下证明霍姆格伦定理，则该定理在方程是非重特征的、非线性的、非解析的、支柱是非特征的条件下仍是正确的。至于连续依赖性则并不成立，阿达马的著名例子就说明这个问题。阿达马分析了他以前和当时的有关线性二阶偏微分方程的工作，紧紧抓住“形式相似的方程却有迥然不同的适定问题”这个矛盾，反复论证，终于发现了长期未被注意的事实，即柯西-柯瓦列夫斯卡娅定理在方程、支柱和数据有一非解析时是不真的。例如Δu=0在支柱z=0的柯西问题在数据不都是解析时未必是有解的。诚然，双侧的解（即z≤0和z≥0时都存在的解）不存在，因为根据杜恩定理，若存在，则两个数据必然都是解析的。单侧的解也不存在，因为否则用照相法(实际上是一种解析开拓)，则双侧解也将存在，但解析方程，解析支柱t=0、非解析数据的柯西问题却是实际中提出的，理论证明是适定的。阿达马提出了基本解。这不仅是他对前人工作的总结，而且从他本人以前的成就也必然得到这个重要概念。有了基本解，模双曲型方程的柯西问题的解，只要支柱是空向的，已给数据适当正规，就可以用一个发散积分的有限部分来表示；椭圆型方程就可以形成势代表解，并通过这个势满足的弗雷德霍尔姆型积分方程求得狄里克雷问题的解。间接地求抛物型方程的基本解的步骤也是阿达马提出来的。他有一句名言：“所有线性偏微分方程问题应该并且可以用基本解来解决。”在V.沃尔泰拉暗示下，G.F.特里科米进行了混合型方程的所谓特里科米问题的研究。所谓混合型方程，是指在蜕型线L一侧是椭圆型，在另一侧是双曲型的方程；1927年特里科米证明了解的存在性。虽然苏联学者C.A.洽普雷金在V.沃尔泰拉之前已在射流理论中提出更一般的混合型方程即洽普雷金方程，但只有在40年代由于超音速飞机的制造，在跨音速气动力学中这类方程才大受重视。M.H.普罗特尔证明了洽普雷金方程特里科米问题的解的唯一性，苏联学者A.B.比察泽也在这方面做了大量有意义的工作。由于渗流的研究，促进了拟线性退缩抛物型方程的研究发展，苏联学者为此作出了贡献。一个方程或方程组的定解问题一旦提出，就产生下列三个问题。①存在性问题，即这个定解问题是否有解。②唯一性问题，即其解是否唯一。③连续依赖性问题，即解是否连续依赖于数据，亦即是否是数据的某阶连续泛函。若定解问题的解是存在的、唯一的、连续依赖于数据的，则这个定解问题称为适定的。对它就可以进行计算。一般而言，只有适定问题计算才有意义。这样，微分方程的研究成果才能为实际所应用。如果对上述三个问题的回答有一个是否定的，这个定解问题就称为不适定的。一般，不适定问题是原来用来刻画实际规律的数学模型不恰当，必须另建合适的数学模型。不适定问题也是需要研究的，这种研究有时会导致理论上的新发展。 对常微分方程最早提出的定解问题是柯西问题(C)：柯西问题(C)是适定的，其根据是柯西定理：若?(x,y)在 ， 上连续，并满足李普希茨条件，则柯西问题(C)在满足条件下，存在唯一的连续依赖于y0的连续解。由于泛定方程的任一解当 时总要取一个值 ,因此就可以提出柯西问题(C)。由于唯一性，这个柯西问题的解一定就是所考虑的解，所以柯西问题(C)的解就是泛定方程的“通解”。柯西利用L.欧拉早就提出的近似解法（所谓欧拉折线法）证明了当折线边数无限增加、边长无限缩小时，这些折线有一极限即(C)的唯一连续依赖于 的解。这个方法称为柯西-李普希茨方法。若取消李普希茨条件，则用阿尔泽拉定理仍能证明解的存在性，但不能证明唯一性和连续依赖性。可见李普希茨条件的作用只在于保证解的唯一性。逐次逼近法导源于代数方程近似解法，刘维尔首先把它用于解沃尔泰拉积分方程，(C.-)É.皮卡才把它广泛应用于解常微分方程柯西问题(C)上，首先把柯西问题变为非线性沃尔泰拉积分方程，然后用逐次逼近法求解，结果完全和欧拉折线法的一样。如果在一个微分方程中出现的未知函数只含一个自变量，这个方程就叫做常微分方程，也可以简单地叫做微分方程。一般地说，n 阶微分方程的解含有 n个任意常数。也就是说，微分方程的解中含有任意常数的个数和方程的阶数数相同，这种解叫做微分方程的通解。通解构成一个函数族。如果根据实际问题要求出其中满足某种指定条件的解来，那么求这种解的问题叫做定解问题，对于一个常微分方程的满足定解条件的解叫做特解。对于高阶微分方程可以引入新的未知函数，把它化为多个一阶微分方程组。

现在，常微分方程在很多学科领域内有着重要的应用，自动控制、各种电子学装置的设计、弹道的计算、飞机和导弹飞行的稳定性的研究、化学反应过程稳定性的研究等。这些问题都可以化为求常微分方程的解，或者化为研究解的性质的问题。应该说，应用常微分方程理论已经取得了很大的成就，但是，它的现有理论也还远远不能满足需要，还有待于进一步的发展，使这门学科的理论更加完善。

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陇川县18420017393： 常微分方程及其应用研究什么? - ？
鬱虏曲克：[答案] 可以这样说,我们所研究的东西全都来源于生产生活实际,然后通过深入透彻的研究,形成完整的理论体系,然后反过来应用于实际生产生活.微分方程自然也有其深刻的实际背景. 在人们探求物质世界运动规律的过程中,一般很难全靠实验观测认识...

陇川县18420017393： 我也想要你的关于常微分方程在数学建模中的应用,谢谢你 - ？
鬱虏曲克： 只要牵涉到变量的变化,变量之间有依赖关系,并能抽象出变化率的等式,都可以考虑用常微分方程建模,离散情形用差分方程较为方便

陇川县18420017393： 我也想要你的关于常微分方程在数学建模中的应用, - ？
鬱虏曲克：[答案] 只要牵涉到变量的变化,变量之间有依赖关系,并能抽象出变化率的等式,都可以考虑用常微分方程建模,离散情形用差分方程较为方便

陇川县18420017393： 微分方程有什么应用呢? ？
鬱虏曲克： 通常微分方程在很多学科领域内有着重要的应用,自动控制、各种电子学装置的设计、弹道的计算、飞机和导弹飞行的稳定性的研究、化学反应过程稳定性的研究等

陇川县18420017393： 微分方程的意义及应用? - ？
鬱虏曲克：[答案] 我的一点理解,供你参考:想控制一个变量x,当它偏离目标值a时候,你要给它一个力F(x),这个力会给x一个变化率dx/dt,于是有 dx/dt = F(x) 这样一个自治微分方程.一个好的控制系统,就是给出了一个合适的F,使得变量x受到扰动偏离目标值a时...

陇川县18420017393： 有一道这样的常微分方程应用题,例3:一容器内装有10升盐水,其中含盐1千克.现以3升/分钟的速度往容器中注入净水,同时以2升/分钟的速度从内抽出盐... - ？
鬱虏曲克：[答案] 设在过程开始后t分钟容器中含盐x千克,在时刻t的容器内含液体10+3t-2t=10+t(升),此时溶液的浓度为x/(10+t)(千克/升). 若经过dt时间,容器内含盐改变dx(dx

陇川县18420017393： 用常微分方程的思想? - ？
鬱虏曲克： 有限差分法 微分方程和积分微分方程数值解的方法.基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替,这些离散点称作网格的节点;把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似;把原方程和定解条...

陇川县18420017393： 什么是常微分方程?偏微分方程?举个例子 - ？
鬱虏曲克：[答案] 凡含有参数,未知函数和未知函数导数 (或微分) 的方程,称为微分方程,有时简称为方程,未知函数是一元函数的微分方程称作常微分方程,未知数是多元函数的微分方程称作偏微分方程.微分方程中出现的未知函数最高阶导数的阶数,称为微分...

陇川县18420017393： 系统微分方程的作用 - ？
鬱虏曲克： 很大区别是:微分方程是理论工具,是解决自治系统和非自治系统的基础.微分方程差不多是和微积分同时先后产生的,苏格兰数学家耐普尔创立对数的时候,就讨论过微分方程的近似解.牛顿在建立微积分的同时,对简单的微分方程用级数来...

陇川县18420017393： 微分方程有什么用处?有哪些应用 - ？
鬱虏曲克：[答案] 微分方程广泛应用于物理、增长率、RLC电路问题、经济等各个方面