19 微分方程简述之微分方程的基本概念

在前一篇中，我们探讨了多变量微积分及其在实际问题中的应用。这一节我们将进入一个新的领域——微分方程。微分方程是描述函数变化规律的重要工具，对于理解多种物理现象、社会科学模型及工程问题都至关重要。

什么是微分方程？

微分方程是含有未知函数及其导数的方程。通常，我们的目标是找到这些未知函数。它可以被看作是关于函数某种“变化率”的方程。

一个简单的微分方程形式如下：
$$
\frac{dy}{dx} = f(x, y)
$$
这里，$y$ 是未知函数，$x$ 是自变量，$f(x, y)$ 是已知的函数。

分类

微分方程可以根据以下方式进行分类：

1. 根据未知函数的个数：

   • 常微分方程：只有一个自变量。例如，上面的例子就是一个常微分方程。
   • 偏微分方程：有多个自变量，其形式通常如：
     $$
     \frac{\partial u}{\partial t} = f(t, x, u, \frac{\partial u}{\partial x})
     $$

2. 根据方程的阶数：

   • 一阶微分方程：只包含一阶导数，例如 $\frac{dy}{dx} = y$。
   • 高阶微分方程：包含二阶、三阶或更高阶的导数，例如 $\frac{d^2y}{dx^2} + y = 0$。

3. 根据线性与非线性：

   • 线性微分方程：如果求解后的方程可以表示为线性组合，例如 $a_0(x)y + a_1(x)\frac{dy}{dx} + … + a_n(x)\frac{d^n y}{dx^n} = g(x)$。
   • 非线性微分方程：否则，它们是非线性的。

微分方程的实际案例

让我们通过一个简单的物理案例来看一下微分方程的实际应用。

案例：简单的放射性衰变

一个放射性物质的衰变可以用一阶线性微分方程来描述。设 $N(t)$ 是在时间 $t$ 时物质的量，根据放射性衰变定律，有：
$$
\frac{dN}{dt} = -kN
$$
其中，$k$ 是衰变常数。

我们可以通过求解该微分方程获得 $N(t)$ 的表达式。

代码示例（Python）

以下是用 Python 和 scipy 库解决上面微分方程的代码示例：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.integrate import odeint

# 衰变常数
k = 0.5

# 微分方程模型
def model(N, t):
    dNdt = -k * N
    return dNdt

# 初始条件
N0 = 10  # 初始物质量
t = np.linspace(0, 10, 100)  # 时间范围

# 求解微分方程
N = odeint(model, N0, t)

# 绘图
plt.plot(t, N)
plt.xlabel('时间 (t)')
plt.ylabel('物质量 (N)')
plt.title('放射性衰变')
plt.grid()
plt.show()

上述代码使用odeint函数求解衰变过程，并绘制出物质量随时间变化的曲线。

总结

在本节中，我们简要回顾了微分方程的基本概念，包括其定义、分类和实际应用案例。微分方程在描述动态系统中扮演着关键角色，为我们深入理解许多科学和工程问题打下基础。

在下一篇中，我们将进一步探讨常见微分方程的解法，包括解析法和数值法，使我们能够更好地处理具体问题的求解。