From Wikipedia, the free encyclopedia
Диференцијална једначина је свака једначина у којој се појављује независна променљива (.), непозната функција те променљиве (.) и изводи или диференцијали те непознате функције[1]. По дефиницији, редом диференцијалне једначине се назива највиши ред извода у тој једначини. Општи облик диференцијалне једначине n-тог реда је:
Диференцијална једначина' је једначина која изражава везу између независне променљиве, непознате функције и њених извода: . Највиши ред извода у тој једначини се назива ред диференцијалне једначине. На пример је диференцијална једначина другог реда. Најпростија диференцијална једначина је првог реда, у експлицитном облику то је .
Свака функција која идентички задовољава диференцијалну једначину зове се решење или интеграл те једначине. Опште решење треба да идентички задовољава дату диференцијалну једначину, и облика је , где су C1,...,Cn произвољне интеграционе константе. Партикуларно решење је свака функција која се добија из општег решења за посебне вредности константи. Сингуларно решење је оно које идентички задовољава дату једначину, а не налази се у општем решењу. Кад непозната функција зависи од двеју или више променљивих, диференцијалну једначину називамо парцијалном.
Многе диференцијалне једначине су математички модели разноврсних процеса у природи, друштву, природним и друштвеном и техничким наукама и као такве имају многобројне примене. Теорија диференцијалних једначина и теорија парцијалних диференцијалних једначина су значајне и широко развијене области математике. Њихов посебан део чине диференцијалне једначине математичке физике.
У систему диференцијалних једначина се јављају две или више функција исте променљиве (односно истих променљивих).
Решење диференцијалне једначине је свака функција која идентички задовољава ту диференцијалну једначину[2].
Диференцијалне једначине су настале након што су Њутн и Лајбниц произвели инфинитезимални рачун. У другом поглављу његовог рада из 1671,[3] Исак Њутн наводи три типа диференцијалних једначина: једначине са два извода , једном недиференцираном променљивом ; jednačine sa и ; и једначине са више од два извода.
Као примери три случаја, дата су решења једначина:
Ови примери и низ других су решени користећи инфинитивне серије. Дискусија нејединствености решења је такође дата.
Јакоб Бернули је решио Бернулијеву диференцијалну једначину 1695.[4] Она је обична диференцијална једначина облика
за коју је он одредио коначна решења.[5]
Историјски, проблем вибрационог влакна као што је музички инструмент су изучавали Жан ле Рон д'Аламбер, Леонард Ојлер, Данијел Бернули, и Жозеф Луј Лагранж.[6][7][8][9] Године 1746, д’Аламбер је открио једнодимензионалну таласну једначину, а током наредне декаде Ојлер је открио тродимензионалну таласну једначину.[10]
Ојлер–Лагранжова једначина је развијена током 1750-их у контексту Ојлерових и Лагранжових изучавања таутохроног проблема. Ради се о проблему одређивања криве на коју измерена честица пада у фиксну тачку у фиксном временском интервалу, независно од почетне тачке. Лагранж је решио тај проблем 1755. године и послао је решење Ојлеру. Они су заједно даље развили Лагранжов метод и применили га на механику, што је довело до формулације Лагранжове механике.
Фурије је објавио свој рад о преносу топлоте у (књизи Аналитичка теорија топлоте),[11] у којој је базирао своје разматрање на Њутновом закону хлађења, наиме да је пренос топлоте између два суседна молекула пропорционалан екстремно малим разликама њихових температура. Та књига садржи Фуријеов предлог једначине топлотне проводности за дифузију топлоте. Та парцијална диференцијална једначина се у данашње време среће у већини наставних планова математичке физике.
У класичној механици, кретање тела се описује његовом позицијом и брзином у функцији времена. Њутнови закони омогућавају (за дату позицију, брзину, убрзање и различите силе које делују на тело) динамичко изражавање једне од тих променљивих у облику диференцијалне једначине за непознату позицију тела у функцији времена.
У неким случајевима се та диференцијална једначина (звана једначина кретања) може експлицитно решити.
Пример моделовања проблема реалног света користећи диференцијалне једначине је одређивање брзине кугле која пада кроз ваздух, узимајући у обзир гравитацију и отпор ваздуха. Убрзање лопте у смеру Земље је убрзане услед гравитације минус отпор ваздуха. Гравитација се сматра константном, док се за отпор ваздуха узима да је пропорционалан са брзином кугле. То значи да је убрзање кугле, које је извод њене брзине, зависно од брзине (кок је брзина зависна од времена). Одређивање брзине као функције времена се врши решавањем диференцијалне једначине и верификацијом њене валидности.
Обична диференцијална једначина () је једначина која садржи функцију једне независне променљиве и њених извода. Термин „обична“ се користи као контраст термину парцијална диференцијална једначина, која може да обухвата више независних променљивих.
Линеарне диференцијалне једначине са решењима која се могу сабирати и множити коефицијентима, су добро дефинисане и изучене, и егзактна решења затвореног облика су добијена. У контрасту с тим, обичне диференцијалне једначине којима недостају адитивна решења су нелинеарне, и њихово решавање је далеко сложеније, пошто се оне ретко могу приказати у облику елементарних функција у затвореном облику. Уместо тога, егзактна и аналитичка решења тих једначина се добијају у облику серија или интегралних форми. Графички и нумерички методи, који се примењују мануелно или уз помоћ рачунара, у многим случајевима могу да произведу приближна решења обичних диференцијалних једначина. Ови приступи се превасходно користе у одсуству егзактних аналитичких решења.
Парцијална диференцијална једначина () је диференцијална једначина која садржи непознате мултиваријабилне функције и њихове парцијалне изводе. (То је у контрасту са обичним диференцијалним једначинама, које обухватају функције једне променљиве и њихове деривате.) Парцијалне диференцијалне једначине се користе за формулисање проблема који обухватају функције са више променљивих, и оне се било ручно решавају, или се користе за креирање релевантних рачунарских модела.
Парцијалне диференцијалне једначине се могу користити за описивање широког опсега различитих феномена као што су звук, топлота, електростатика, електродинамика, проток флуида, еластичност, или квантна механика. Ове наизглед различите физичке појаве се могу слично формулисати у смислу парцијалних диференцијалних једначина. Као што обичне диференцијалне једначине најчешће описују једнодимензионалне динамичке системе, парцијалне диференцијалне једначине се обично односе на мултидимензионалне системе. Стокастичке парцијалне диференцијалне једначине су генерализација парцијалних диференцијалних једначина.
Обичне и парцијалне диференцијалне једначине се углавном не класификују као линеарне и нелинеарне.
Линеарне диференцијалне једначине се често јављају као апроксимације нелинеарних једначина. Те апроксимације су једино валидне под ограниченим условима. На пример, једначина хармонијског осцилатора је апроксимација нелинеарне једначине клатна, која је валидна само за мале амплитуде осцилације.
У првој групи примера, је непозната функција од , а и су познате константе.
У следећој групи примера, непозната функција зависи од две променљиве и или и .
Решавање диференцијалних једначина се разликује од решавања алгебарских једначина. Њихова решења често нису јасна. Међутим кад су решења јединствена или бар постоје, она су обично од знатног интереса.
За проблеме са иницијалном вредношћу првог реда, лако се може утврдити да ли јединствено решење постоји. За било коју тачку у -равни, дефинише се правоугаони регион , тако да су и у . Ако је дата диференцијална једначина и иницијални услов , онда постоји јединствено решење за ту иницијалну вредност проблема, ако су и непрекидни на . То јединствено решење постоји на неком интервалу са центром у .
Међутим, то је једино корисно код проблема иницијалне вредности првог реда. Претпоставимо да имамо проблем линеарне иницијалне вредности н-тог реда:
тако да
За сваку вредност различиту од нуле, ако су и непрекидне на неком интервалу који садржи , је јединствено и постоји.[13]
Теорија диференцијалних једначина је блиско сродна са једначинама разлика, у којима координате попримају дискретне вредности, и однос обухвата вредности непознате функције или функција и вредности оближњих координата. Многи методи за израчунавање нумеричких решења диференцијалних једначина или студирање вредности диференцијалних једначина обухватају апроксимацију решења диференцијалне једначине решењем кореспондирајуће једначине разлика.
Изучавање диференцијалних једначина је широко поље у чистој и примењеној математици, физици, и инжињерству. Све те дисциплине се баве својствима диференцијалних једначина различитих типова. Чиста математика има фокус на постојању и јединствености решења, док примењена математика наглашава ригорозно доказивање методима за апроксимацију решења. Диференцијалне једначине имају важну улогу у моделовању практично сваког физичког, техничког, или биолошког процеса, од небеских кретања, до дизајна мостова, до интеракција између неурона. Диференцијалне једначине као што су оне које се користе за решавање проблема у реалном животу нису увек директно решиве, тј. немају решења затворене форме. Уместо тога могу се наћи апроксимативна решења користећи нумеричке методе.
Многи фундаментални закони физике и хемије се могу формулисати као диференцијалне једначине. У биологији и економији, диференцијалне једначине се користе за моделовање понашања комплексних система. Математичка теорија диференцијалних једначина је првобитно развијена заједно са наукама из којих су једначине потекле и у којима су резултати нашли примену. Међутим, разноврсни проблеми, који понекад долазе из сасвим различитих научних поља, могу да произведу идентичне диференцијалне једначине. Кад год до тога дође, математичка теорија иза тих једначина се може сматрати уједињујућим принципом различитих феномена. На пример, пропагација светла и звука у атмосфери, и таласа на површини језера. Сви ти процеси се могу описати истом парцијалном диференцијалном једначином другог реда, таласном једначином, што нам омогућава да мислимо о светлу и звуку као формама таласа, које су сличне таласима на води. Провођење топлоте, описано теоријом коју је развио Жозеф Фурије, се подвргава једној другој парцијалној диференцијалној једначини другог реда, једначини топлоте. Испоставља се да се многи процеси дифузије, мада су наизглед различити, могу описати истом једначином; Блек–Шоулзова једначина из области финансија је на пример сродна са једначином топлоте.
Докле год је сила која делује на честицу позната, Други Њутнов закон је довољан за описивање њеног кретања. Кад су независне релације за сваку силу која делује на честицу познате, оне се могу заменити у Њутновом другом закону, чиме се добија обична диференцијална једначина, која се назива једначина кретања.
Максвелове једначине су скуп парцијалних диференцијалних једначина које, заједно са законом Лоренцове силе, формирају основ класичне електродинамике, класичне оптике, и електричних кола. Та поља су у основи модерних електричних и комуникационих технологија. Максвелове једначине описују начин на који се електрична и магнетна поља генеришу и мењају једно друго, као и њихове промене посредством наелектрисања и струја. Оне носе име шкотског физичара и математичара Максвела, који је објавио првобитну форму тих једначина у периоду између 1861. и 1862.
Ајнштајнове једначине поља ( - енгл. ; такође познате као "Ајнштајнове једначине") су скуп од десет парцијалних диференцијалних једначина у Ајнштајновој општој теорији релативности која описује фундаменталну интеракцију гравитације као резултат закривљења просторвремена материјом и енергијом.[14] Ајнштајн ју је првобитно објавио 1915.[15] као тензорску једначину, у којој је једнака локалном закривљењу просторвремена (израђеног као Ајнштајнов тензор) дејством локалне енергије и момента унутар тог просторвремена (израђеног у облику тензора енергије стреса).[16]
У квантној механици, аналог Њутновог закона је Шредингерова једначина (парцијална диференцијална једначина) квантног система (обично атома, молекула, и субатомских честица било да су слободне, везане, или локализоване). Она није једноставна алгебарска једначина, него општа линеарна парцијална диференцијална једначина, која описује временску еволуцију система таласних функција (које се такође називају "функције стања").[17]
Једначине Лотка–Волтера, такође познате као једначине предатора и плена, су пар нелинеарних диференцијалних једначина првог реда које се фреквентно користе за описивање динамике биолошких система у којима две врсте интерагују, једна као предатор, а друга као плен.
Закон брзине или једначина брзине хемијске реакције је диференцијална једначина која повезује брзину реакције са концентрацијама или притисцима реактаната и константним параметрима (нормално коефицијентима брзине и парцијалним редовима реакције).[18] Да би се одредила брзина реакције за специфични систем комбинује се брзина реакције са балансом масе система.[19]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.