A differenciálegyenlet egy olyan egyenlet , amely a függvényen kívül annak deriváltjait is tartalmazza . Az egyenletben szereplő deriváltak sorrendje eltérő lehet (formálisan semmi sem korlátozza). A deriváltok, függvények, független változók és paraméterek különféle kombinációkban szerepelhetnek az egyenletben, vagy teljesen hiányozhatnak, legalább egy derivált kivételével. Egyetlen olyan egyenlet sem differenciál, amely egy ismeretlen függvény deriváltjait tartalmazza. Például nem differenciálegyenlet [1] .
Ellentétben az algebrai egyenletekkel , amelyek eredményeként egy számot (több számot) keresünk, a differenciálegyenletek megoldása során egy függvényt (függvénycsaládot) keresünk.
Az elsőnél magasabb rendű differenciálegyenlet olyan elsőrendű egyenletrendszerré alakítható , amelyben az egyenletek száma megegyezik az eredeti differenciálegyenlet nagyságrendjével.
A modern nagysebességű számítógépek hatékonyan adják meg a közönséges differenciálegyenletek numerikus megoldását anélkül, hogy analitikus formában kellene megoldaniuk. Ez lehetővé teszi egyes kutatók számára, hogy azt állítsák, hogy a probléma megoldását akkor kaptuk meg, ha lehetséges volt azt egy közönséges differenciálegyenlet megoldására redukálni .
A differenciálegyenlet fogalmának egy végtelen változóhalmaz esetére történő általánosítása egy funkcionális derivált egyenlet .
A differenciálegyenlet sorrendje a deriváltjainak legmagasabb rendje .
Ha egy differenciálegyenlet polinom a legmagasabb deriválthoz képest, akkor ennek a polinomnak a fokát a differenciálegyenlet fokának nevezzük . Így például az egyenletegy másodrendű, negyedfokú egyenlet[2].
A sorrendi differenciálegyenlet megoldása ( integrál ) olyan függvény , amelynek egy bizonyos intervallumon egészen a nagyságrendig bezárólag deriváltjai vannak, és teljesíti ezt az egyenletet. A differenciálegyenlet megoldásának folyamatát integrációnak nevezzük . A differenciálegyenlet integrálásának problémája akkor tekinthető megoldottnak, ha az ismeretlen függvény megtalálása egy kvadratúrába (vagyis a , ahol egy elemi függvény) hozható, függetlenül attól, hogy az eredményül kapott integrált a végső formában fejezzük-e ki. ismert funkciók közül vagy sem.
Minden differenciálegyenlet felosztható közönséges differenciálegyenletekre (ODE), amelyek csak egy argumentum függvényeit (és azok származékait) tartalmazzák , és részleges differenciálegyenletekre (PDE ), amelyekben a bemeneti függvények sok változótól függenek. Léteznek sztochasztikus differenciálegyenletek (SDE) is, amelyek sztochasztikus folyamatokat foglalnak magukban .
A deriváltak, függvények, független változók kombinációitól függően a differenciálegyenleteket lineáris és nemlineáris, állandó vagy változó együtthatójú, homogén vagy nem homogénre osztjuk. Az alkalmazások fontossága miatt a kvázi lineáris (magasabb deriváltokhoz képest lineáris) parciális differenciálegyenletek külön osztályba kerülnek [3] .
A differenciálegyenletek legfontosabb kérdése megoldásaik létezése és egyedisége. Ennek a kérdésnek a megoldását a létezési és egyediségi tételek adják, amelyek jelzik az ehhez szükséges és elégséges feltételeket. A közönséges differenciálegyenletekhez ilyen feltételeket Rudolf Lipschitz (1864) fogalmazott meg. A parciális differenciálegyenletek esetében a megfelelő tételt Sophia Kovalevskaya (1874) bizonyította.
A differenciálegyenletek megoldásait általános és egyedi megoldásokra osztjuk. Az általános megoldások közé tartoznak a definiálatlan állandók, a parciális differenciálegyenletek esetében pedig a független változók tetszőleges függvényei, amelyek további integrációs feltételekből (a közönséges differenciálegyenletek kezdeti feltételei, a parciális differenciálegyenletek kezdeti és peremfeltételei) finomíthatók. A jelzett állandó és határozatlan függvények alakjának meghatározása után a megoldások partikulárissá válnak.
A közönséges differenciálegyenletek megoldásának keresése a speciális függvények osztályának létrehozásához vezetett – olyan függvények, amelyekkel gyakran találkozunk az alkalmazásokban, és amelyeket nem lehet ismert elemi függvényekkel kifejezni. Tulajdonságaikat részletesen tanulmányozták, értéktáblázatokat állítottak össze, meghatározták a kölcsönös kapcsolatokat stb.
A differenciálegyenletek elméletének fejlődése számos esetben lehetővé tette a vizsgált függvények folytonossági követelményének feladását és a differenciálegyenletek általánosított megoldásainak bevezetését.
A differenciálegyenletek kezdetben a mechanika problémáiból származtak , amelyekben meg kellett határozni a testek koordinátáit , sebességeiket és gyorsulásaikat , amelyeket különböző hatások hatására az idő függvényének tekintettek . Az akkoriban vizsgált geometriai problémák egy része differenciálegyenletekhez is vezetett.
A differenciálegyenletek elméletének alapja a Leibniz és Newton (1642-1727) által megalkotott differenciálszámítás volt . Magát a „differenciálegyenlet” kifejezést Leibniz javasolta 1676-ban.
A 18. századi differenciálegyenletekkel foglalkozó munkái közül Euler (1707-1783) és Lagrange (1736-1813) munkái emelkednek ki. Ezekben a munkákban dolgozták ki először a kis rezgések elméletét, és ennek következtében a lineáris differenciálegyenletrendszerek elméletét; az út során felmerültek a lineáris algebra alapfogalmai (sajátértékek és vektorok n - dimenziós esetben). Newton nyomán Laplace és Lagrange, majd Gauss (1777-1855) is kidolgozta a perturbációelmélet módszereit.
Amikor bebizonyosodott az algebrai egyenletek gyökökben való megoldhatatlansága, Joseph Liouville (1809-1882) hasonló elméletet állított fel a differenciálegyenletekre, és megállapította, hogy számos egyenlet (különösen a klasszikusok, mint a másodrendű lineáris egyenletek) megoldhatatlan. elemi függvények és kvadratúra. Később Sophus Lie (1842-1899) az egyenletek kvadratúrákba integrálásának kérdését elemezve arra jutott, hogy részletesen tanulmányozza a diffeomorfizmusok csoportjait (később Lie-csoportoknak nevezték ) - így alakult ki a modern matematika egyik legtermékenyebb területe. a differenciálegyenletek elméletében, amelynek továbbfejlesztése szorosan összefügg egészen más kérdésekkel (A hazugság algebrákkal korábban Simeon-Denis Poisson (1781-1840) és különösen Carl Gustav Jacobi (1804-1851) foglalkozott. ).
A differenciálegyenletek elméletének fejlődésében új szakasz kezdődik Henri Poincare (1854-1912) munkásságával, az általa megalkotott "kvalitatív differenciálegyenletek elméletével", valamint az összetett változók függvényelméletével, amely alapját képezte a differenciálegyenletek elméletének. modern topológia . A differenciálegyenletek kvalitatív elmélete, vagy ahogy manapság gyakran nevezik, a dinamikus rendszerek elmélete , jelenleg aktívan fejlődik, és fontos alkalmazásai vannak a természettudományban.
A közönséges differenciálegyenletek (ODE) olyan egyenletek, amelyek egy független változótól függenek; úgy néznek ki, mint
vagyahol egy ismeretlen függvény (esetleg vektorfüggvény ; ilyenkor gyakran beszélünk differenciálegyenlet-rendszerről), a független változótól függően a prím differenciálást jelent a számhoz képest. A számot a differenciálegyenlet sorrendjének nevezzük . A gyakorlatban a legfontosabbak az első és másodrendű differenciálegyenletek.
A legegyszerűbb elsőrendű differenciálegyenletek az elsőrendű differenciálegyenletek egy osztálya, amely a legkönnyebben megoldható és tanulmányozható. Tartalmazza a teljes differenciálegyenleteket , az elválasztható változókat tartalmazó egyenleteket, az elsőrendű homogén egyenleteket és az elsőrendű lineáris egyenleteket. Mindezek az egyenletek integrálhatók a végső formába.
Az előadás kiindulópontja egy elsőrendű differenciálegyenlet lesz, amelyet az ún. szimmetrikus forma:
ahol a és függvények meghatározottak és folytonosak valamilyen tartományban .
A parciális differenciálegyenletek (PDE) olyan egyenletek, amelyek több változó ismeretlen függvényeit és azok parciális deriváltjait tartalmazzák . Az ilyen egyenletek általános formája a következőképpen ábrázolható:
ahol független változók, és ezeknek a változóknak a függvénye. A parciális differenciálegyenletek sorrendje ugyanúgy meghatározható, mint a közönséges differenciálegyenletek esetében. A parciális differenciálegyenletek másik fontos osztályozása az elliptikus, parabolikus és hiperbolikus típusú egyenletekre való felosztásuk, különösen a másodrendű egyenletek esetében.
Mind a közönséges differenciálegyenletek, mind a parciális differenciálegyenletek feloszthatók lineáris és nemlineáris egyenletekre . Egy differenciálegyenlet akkor lineáris, ha az ismeretlen függvény és deriváltjai csak az első hatványig lépnek be az egyenletbe (és nem szoroznak egymással). Az ilyen egyenleteknél a megoldások a függvények terének affin alterét alkotják. A lineáris differenciálegyenletek elmélete sokkal mélyebben fejlődött, mint a nemlineáris egyenletek elmélete. Az n -edrendű lineáris differenciálegyenlet általános alakja :
ahol p i ( x ) a független változó ismert függvényei, amelyeket az egyenlet együtthatóinak nevezünk. A jobb oldalon lévő r ( x ) függvényt metszéspontnak nevezzük (az egyetlen olyan tag, amely nem függ az ismeretlen függvénytől). A lineáris egyenletek egy fontos speciális osztálya az állandó együtthatójú lineáris differenciálegyenletek .
A lineáris egyenletek egy alosztálya a homogén differenciálegyenletek - szabad tagot nem tartalmazó egyenletek: r ( x ) = 0 . A homogén differenciálegyenletek esetében érvényesül a szuperpozíció elve : egy ilyen egyenlet részmegoldásának lineáris kombinációja is a megoldás lesz. Az összes többi lineáris differenciálegyenletet inhomogén differenciálegyenletnek nevezzük .
A nemlineáris differenciálegyenletek általános esetben nem rendelkeznek kidolgozott megoldási módszerekkel, kivéve néhány speciális osztályt. Egyes esetekben (bizonyos közelítések alkalmazásával) lineárisra redukálhatók. Például egy matematikai inga nemlineáris egyenlete kis amplitúdó esetén, amikor sin y ≈ y , egy harmonikus oszcillátor lineáris egyenletének tekinthető.
A következő példacsoportban az ismeretlen u függvény két x és t vagy x és y változótól függ .
Szótárak és enciklopédiák |
| |||
---|---|---|---|---|
|
A matematika ágai | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
"Tudomány" portál | ||||||||||
A matematika alapjai halmazelmélet matematikai logika logikai algebra | ||||||||||
Számelmélet ( aritmetika ) | ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
|
Differenciálszámítás | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fő | |||||||
privát nézetek | |||||||
Differenciális operátorok ( különböző koordinátákkal ) |
| ||||||
Kapcsolódó témák |
Differenciálegyenletek megoldási módszerei | |||||
---|---|---|---|---|---|
Rács módszerek |
| ||||
Nem rácsos módszerek |