微分方程的解为什么叫积分曲线?

微分方程的解为什么叫积分曲线?

我用一个非常简单粗暴的“数值解”方法来解释一下为什么微分方程的解叫做“积分曲线”,其实从字面意思理解即可——微分方程的解,就是一条通过不断累积微分得到的曲线。另外通过这种方法也能够了解,为什么微分方程的解,实际上是一族曲线,而不是一条曲线,并理解为什么有所谓通解和特解。

以一个简单的一阶微分方程 为例,这个微分方程的意思是,我们给了一个平面上的点集一个特殊的函数映射,这个映射限制了x和y的对应关系——即任何一点( )和它旁边的极近的点( )不是随便的关系,而是有变化率的限制: ,换句话讲,我们应该理解,微分方程的本意本来就是对每一点处变化率的大小做出了限制,只不过一阶微分方程限制了一阶导数的值,二阶微分方程限制了一阶导数和二阶导数的值。接下来看是怎么样通过变化率的限制得到一个曲线的:

如果我们从x=0处开始绘制这条曲线,那么在这一点y等于几呢?等于多少都可以,这个微分方程没有做出限制,这个方程只要求 ,所以我们任取一值,比如令y=1,但是一旦x=0时,y=1,事情就这样就被决定了,因为之后每一点的增量 ,这个铁则就要起作用了。

我们用暴力求数值的方法带入: 于是我们得到了(0,1)之后的第二个数对

再以 为基础,根据 计算 , ,于是我们得到了第三个数对 ,这个表达式像不像不断地累加微分?用这种方法不断累积下去,就是在不断的积累微分,这个过程写一个计算机程序是非常非常简单的:

...

把这些点绘制出来,我们可以得到一条“积分曲线”, 越小,用积累微分地方法绘制的这个曲线就越精确,越接近于“真正的”曲线。如下图:

这个积分曲线的形状,取决于微分方程对于变化率的限制和我们最初选定的x=0时,y=1。如果x=0时,y=2,我们就可以得到另一条积分曲线。这样选定任何一个起点坐标,都可以得到一条曲线,无穷无尽,所以微分方程的解是一族曲线簇,每一条独特的、用累加微分得到的曲线都是一个“特解”的积分曲线。而所谓通解,就是我们用数学方法把上面的过程精确表达罢了:

这就是为什么微分方程的解被称为“积分曲线”了,因为它就是被累加微分得到的。

再看一下二阶微分方程:首先需要理解的是,二阶导数到底是什么意思? ,再次化简:

, ,或者换一种更明显的写法:

这就是说,一旦f''(x)与f'(x)、f(x)定了下来,那么f(x)左右两边的