常微分方程例如:

函数的自变量只有一个,同城是时间t


一般用来描述相对变化量,代替求难以计算的绝对变化量

比如固定区域内两种种群的变化

和物理的力学中

常微分方程代表随着一个变量引起的输出值变化的有限值的集合 比如时间变量


来看热身的例子


重力加速度给了物体向下的分量,大小为9.8m/s


把y坐标看成时间的函数

它的导数是速度的垂直分量


它的二阶导数就是重力加速度的垂直分量(红色直线代表的斜率向下,因此导数为负值)



我们得到一个y’’(t)=-g的微分方程


那么-g的原函数是什么?


-g的函数有无穷多个,初速度v0v_0v0​决定具体是哪一个

那么−gt+v0-gt+v_0−gt+v0​又是哪一个函数的导数


也可以加一个常亮y0y_0y0​,由初始位置决定

这样我们就通过有关函数的变化率,求出了原函数

这和之前学习过的微分方程,通常是通过一个函数的导数,二阶导数来求原方程的过程

例如普通的简谐运动

当初始角度较大时是不成立的


再加上一个运动方向上的分量g

而且可以证明粉色和黄色向量的夹角也等于θ\thetaθ

那么sinθ=蓝色/黄色(−g)sin\theta=蓝色/黄色(-g)sinθ=蓝色/黄色(−g)

蓝色=−g∗sinθ-g*sin\theta−g∗sinθ

粉色=−g∗cosθ-g*cos\theta−g∗cosθ

x的二阶导数就是−g∗sinθ-g*sin\theta−g∗sinθ




考虑空气阻力

将这个方程放进向量场

它的变化率就是变化趋势的大小和方向


用函数表示:

它的运动趋势

这个向量场还能体现出,当角度大于180时,小球需要赚几个圈才能进入旋涡

党阻力增大时,会更快进入旋涡

推广到任意常微分方程,都能用向量场空间来描述

这类问题通常过于复杂,如三体问题,我们需要18个维度来描述

我们把这样的空间称为 - 相空间 用来描述运动系统的所有状态空间


比如这个描述球体18个维度状态的空间叫做相空间

最后,用python求解单摆模型结束

微分方程2_常微分方程、相空间相关推荐

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