線性與非線性微分方程
含有至少一個微分系數或未知變量導數的方程稱為微分方程。微分方程可以是線性的也可以是非線性的。本文的範圍是解釋什麼是線性微分方程,什麼是非線性微分方程,線性微分方程和非線性微分方程有什麼區別。
自18世紀牛頓和萊布尼茨等數學家發展微積分以來,微分方程在數學史上一直扮演著重要的角色。微分方程由於其應用範圍廣,在數學中具有重要意義。微分方程是我們開發用來解釋世界上任何情景或事件的模型的核心,無論是物理、工程、化學、統計學、金融分析還是生物學(列表不勝枚舉)。事實上,在微積分成為一個既定的理論之前,還沒有合適的數學工具來分析自然界中有趣的問題。
由微積分的一個具體應用得到的方程可能非常複雜,有時不可解。然而,有些問題我們可以解決,但可能看起來很相似,令人困惑。因此,為了便於辨識,微分方程按其數學行為進行分類。線性和非線性就是這樣一種分類。辨識線性微分方程與非線性微分方程之間的差異是很重要的。
什麼是線性微分方程(a linear differential equation)?
假設f:X→Y和f(X)=Y,一個沒有未知函數Y及其導數的非線性項的微分方程稱為線性微分方程。
它規定了一個條件,即y不能有更高的指數項,如y2,y3,…和導數的倍數,如
它也不能包含非線性項,如siny、ey^-2或ln y。它的形式是,
其中y和g是x的函數,該方程是n階微分方程,是最高階導數的指數。
在線性微分方程中,微分算子是一個線性算子,其解構成向量空間。由於解集的線性性質,解的線性組合也是微分方程的解。也就是說,如果y1和y2是微分方程的解,那麼c1y1+c2y2也是一個解。
方程的線性度只是分類的一個參數,可以進一步分為齊次方程、非齊次方程和常微分方程或偏微分方程。如果函數為g=0,則方程為線性齊次微分方程。如果f是兩個或兩個以上自變量(f:X,T→Y)和f(X,T)=Y的函數,則該方程是一個線性偏微分方程。
微分方程的求解方法取決於微分方程的類型和係數。當係數為常數時,最簡單的情況出現。典型的例子是牛頓第二運動定律及其各種應用。牛頓第二定律產生一個二階常係數線性微分方程。
什麼是非線性微分方程(a nonlinear differential equation)?
含有非線性項的方程稱為非線性微分方程。
以上都是非線性微分方程。非線性微分方程是一個很難求解的問題,因此需要對其進行深入的研究以獲得正確的解。在偏微分方程的情況下,大多數方程沒有通解。因此,每個方程都必須獨立處理。
流體力學中的Navier-Stokes方程和Euler方程,廣義相對論中的愛因斯坦場方程是著名的非線性偏微分方程。有時,將拉格朗日方程應用於一個變量系統時,可能會產生一個非線性偏微分方程組。
線性的(linear)和非線性微分方程(nonlinear differential equati***)的區別
•只有未知或因變量及其導數的線性項的微分方程稱為線性微分方程。它沒有因變量指數大於1的項,也不包含其導數的倍數。它不能有非線性函數,如三角函數,指數函數,對數函數對因變量。任何包含上述項的微分方程都是一個非線性微分方程。
•線性微分方程的解創造了向量空間,微分算子也是向量空間中的線性算子。