از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد
مسیر پرتابه ای که از یک توپ پرتاب می شود از منحنی تعیین شده توسط یک معادله دیفرانسیل معمولی که از قانون دوم نیوتن مشتق شده است، پیروی می کند.
معادلات دیفرانسیل
محدوده
نشان می دهد
زمینه های
طبقه بندی
نشان می دهد
انواع
نشان می دهد
ارتباط با فرآیندها
راه حل
نشان می دهد
وجود و منحصر به فرد بودن
نشان می دهد
مباحث عمومی
نشان می دهد
روش های حل
مردم
نشان می دهد
فهرست کنید
در ریاضیات ، یک معادله دیفرانسیل معمولی ( ODE ) یک معادله دیفرانسیل (DE) است که تنها به یک متغیر مستقل وابسته است . مانند سایر DE، مجهول(های) آن از یک (یا چند تابع) تشکیل شده و مشتقات آن توابع را شامل می شود. [1] اصطلاح "معمولی" در مقابل معادلات دیفرانسیل جزئی استفاده می شود که ممکن است با توجه به بیش از یک متغیر مستقل باشد. [2]
معادله دیفرانسیل خطی یک معادله دیفرانسیل است که توسط یک چند جمله ای خطی در تابع مجهول و مشتقات آن تعریف می شود که معادله ای از شکل است.
،
جایی که وتوابع قابل تمایز دلخواه هستند که نیازی به خطی بودن ندارند و مشتقات متوالی تابع مجهول y از متغیر x هستند .
در بین معادلات دیفرانسیل معمولی، معادلات دیفرانسیل خطی به چند دلیل نقش برجسته ای دارند. اکثر توابع ابتدایی و ویژه ای که در فیزیک و ریاضیات کاربردی با آنها مواجه می شوند ، حل معادلات دیفرانسیل خطی هستند (به تابع هولونومی مراجعه کنید ). هنگامی که پدیده های فیزیکی با معادلات غیر خطی مدل می شوند، معمولاً با معادلات دیفرانسیل خطی برای حل آسان تر تقریب می شوند. معدود ODE های غیر خطی که می توانند به طور صریح حل شوند، عموماً با تبدیل معادله به یک ODE خطی معادل حل می شوند (به عنوان مثال معادله Riccati را ببینید ).
برخی از ODE ها را می توان به صراحت از نظر توابع و انتگرال های شناخته شده حل کرد . هنگامی که این امکان پذیر نیست، معادله محاسبه سری تیلور از راه حل ها ممکن است مفید باشد. برای مسائل کاربردی، روشهای عددی برای معادلات دیفرانسیل معمولی میتوانند تقریبی از جواب را ارائه کنند.
معادلات دیفرانسیل معمولی (ODE) در بسیاری از زمینه های ریاضیات و علوم اجتماعی و طبیعی به وجود می آیند . در توصیف های ریاضی تغییر از دیفرانسیل ها و مشتقات استفاده می شود. دیفرانسیل ها، مشتقات و توابع مختلف از طریق معادلات به هم مرتبط می شوند، به طوری که یک معادله دیفرانسیل نتیجه ای است که پدیده ها، تکامل و تغییرات به طور پویا در حال تغییر را توصیف می کند. غالباً کمیت ها به عنوان نرخ تغییر کمیت های دیگر (مثلاً مشتقات جابجایی نسبت به زمان) یا شیب کمیت ها تعریف می شوند که نحوه ورود آنها به معادلات دیفرانسیل است. [ نیازمند منبع ]
رشته های ریاضی خاص شامل هندسه و مکانیک تحلیلی است . زمینه های علمی شامل بسیاری از فیزیک و ستاره شناسی (مکانیک آسمان)، هواشناسی (مدل سازی آب و هوا)، شیمی (نرخ واکنش)، [3] زیست شناسی (بیماری های عفونی، تنوع ژنتیکی)، بوم شناسی و مدل سازی جمعیت (رقابت جمعیت)، اقتصاد (روند سهام). ، نرخ بهره و تغییرات قیمت تعادلی بازار).
بسیاری از ریاضیدانان معادلات دیفرانسیل را مطالعه کرده اند و در این زمینه مشارکت داشته اند، از جمله نیوتن ، لایبنیتس ، خانواده برنولی ، ریکاتی ، کلراوت ، دالامبر و اویلر .
یک مثال ساده قانون دوم حرکت نیوتن است - رابطه بین جابجایی x و زمان t یک جسم تحت نیروی F توسط معادله دیفرانسیل به دست میآید.
که حرکت ذره ای با جرم ثابت m را محدود می کند . به طور کلی، F تابعی از موقعیت x ( t ) ذره در زمان t است . تابع مجهول x ( t ) در دو طرف معادله دیفرانسیل ظاهر می شود و در نماد F ( x ( t ) نشان داده می شود. [4] [5] [6] [7]
در ادامه، y یک متغیر وابسته است که نشان دهنده یک تابع مجهول y = f ( x ) از متغیر مستقل x است . نماد تمایز بسته به نویسنده و اینکه کدام نماد برای کار مورد نظر مفیدتر است متفاوت است. در این زمینه، نماد لایب نیتس (dx،d 2 y/dx 2,…,d n y/dx n) برای تمایز و انتکرال مفیدتر است ، در حالی که علامت لاگرانژ برای نمایش مشتقات مرتبه بالاتر به صورت فشرده و نماد نیوتن مفیدتر است. اغلب در فیزیک برای نشان دادن مشتقات درجه پایین با توجه به زمان استفاده می شود.
همچنین ببینید: ترتیب معادلات دیفرانسیل
با در نظر گرفتن F ، تابعی از x ، y ، و مشتقات y . سپس یک معادله از فرم
معادله دیفرانسیل معمولی صریح از مرتبه n نامیده می شود . [8] [9]
به طور کلی، یک معادله دیفرانسیل معمولی ضمنی از مرتبه n شکل زیر را دارد: [10]
طبقه بندی های دیگری نیز وجود دارد:
خود مختار
دیفرانسیل اگر به متغیر x وابسته نباشد مستقل است .
خطی
یک معادله دیفرانسیل خطی است اگرافرا می توان به صورت ترکیبی خطی از مشتقات y نوشت . یعنی if را می توان به صورت بازنویسی کرد
که در آن i ( x ) و r ( x ) توابع پیوسته x هستند . [8] [11] [12] تابع r ( x ) اصطلاح منبع نامیده می شود که منجر به طبقه بندی بیشتر می شود. [11] [13]
همگن
یک معادله دیفرانسیل خطی همگن است اگر r ( x ) = 0 . در این مورد، همیشه " راه حل بی اهمیت " y = 0 وجود دارد .
ناهمگن (یا ناهمگن)
یک معادله دیفرانسیل خطی ناهمگن است اگر r ( x ) ≠ 0 .
غیر خطی
معادله دیفرانسیل که خطی نیست.
مقاله اصلی: سیستم معادلات دیفرانسیل
تعدادی از معادلات دیفرانسیل جفت شده یک سیستم معادلات را تشکیل می دهند. اگر y برداری است که عناصر آن توابع هستند. y ( x ) = [ y 1 ( x )، y 2 ( x )،...، y m ( x )] و F تابعی با مقدار برداری از y و مشتقات آن است ، سپس
یک سیستم صریح از معادلات دیفرانسیل معمولی مرتبه n و بعد m است . در شکل بردار ستونی :
اینها لزوما خطی نیستند. آنالوگ ضمنی این است:
اف
که در آن 0 = (0، 0، ...، 0) بردار صفر است . به صورت ماتریسی