微分方程主要分為四大類:常微分方程、偏微分方程、隨機微分方程和差分方程,常微分方程關注的是未知函數為一元函數的微分方程,如y=f(x,y),這里x作為自變量,y作為因變量,偏微分方程則涉及未知函數為多元函數的微分方程,例如u_t=u_xx,這里的t和x均為自變量,而u是因變量。
(3)d(f(x)*g(x))=g(x)*df(x)+f(x)*dg(x)。(4)d(f(x)/g(x))=[g(x)*df(x)-f(x)*dg(x)]/g(x)^2,這些微分運算的原理,無論是多元微分方程、偏導數還是重積分,都在以上四種模式中循環往復,相互關聯并依次轉化。
微分符號“d”源自英文“differential”,意味著差異或變化,與微分概念相關的英文單詞還包括“divide”(除)、“decrease”(減少)、“delta”(變化量)等。“D”符號也被稱為微分算子。
在數學中,微分的定義是:由函數B=f(A)得到A、B兩個數集,當dx在A中趨近于某一點時,函數在該點的極限值稱為函數在該點的微分,微分的核心思想是無限分割。
微分方程主要分為兩類:常微分方程和偏微分方程,凡包含未知函數導數的方程均稱為微分方程,表示未知函數、未知函數導數與自變量之間關系的方程,被稱為微分方程,若未知函數是一元函數,則稱為常微分方程;若未知函數是多元函數,則稱為偏微分方程。
常微分方程是研究一個變量關于另一個變量的導數或微分關系的方程,如y=f(y,t),這類方程廣泛應用于描述自然現象中的物理量變化規律。
微分方程還可以進一步分為線性和非線性兩種類型,線性微分方程是指方程中沒有未知數及其微分項的平方或乘積項,而非線性微分方程則包含這些項。
線性微分方程的特點是,方程中沒有自變量及微分項的平方或其他乘積項,也沒有應變數及其微分項的乘積,這類方程的解可以表示為齊次解的線性組合,齊次線性微分方程是一種特殊的線性微分方程,其解乘以一個系數或與另一個解相加仍然是微分方程的解。
如果一個微分方程中未知函數及其各階導數均以一次冪出現,則該方程為線性微分方程,反之,若出現未知函數或其導數的更高次冪,則為非線性微分方程。
簡而言之,線性微分方程的未知函數及其導數都不超過一次冪,這類方程的特點是,關于未知函數及其各階導數的項都是一次冪的,一旦方程中出現未知函數或其導數的更高次冪,該方程就被視為非線性的。
判斷微分方程是否齊次,關鍵在于方程右側的函數,如果函數f(x)不等于零,則該微分方程為非齊次微分方程;如果f(x)等于零,則為齊次微分方程,齊次微分方程可以通過變量替換簡化為可分離變量的形式,例如y=f(y/x)。
齊次微分方程的解只有零解,即平凡解;而非齊次微分方程則存在非零解,微分方程的區別在于方程右側是否有一個函數f(x),如果沒有,那么它是齊次微分方程;如果有,那么它是非齊次微分方程。
解法上,齊次微分方程的通解可以表示為C1y1(x) + C2y2(x) + ... + Cny(n)(x)的形式,其中C1,C2,...,Cn是常數,y1(x),y2(x),...,y(n)(x)是齊次微分方程的n個線性無關的解。
微分方程的類型繁多,主要包括常微分方程、偏微分方程、隨機微分方程和差分方程,常微分方程關注的是未知函數及其一階或高階導數與一個自變量的關系,偏微分方程則涉及未知函數及其偏導數與多個自變量的關系。
微分方程的解法總結如下:對于可分離變量的微分方程,如g(y)dy=f(x)dx,可以直接分離變量后積分,對于可化為dy/dx=f(y/x)的齊次方程,可以通過換元分離變量,其他形式的微分方程,如y=f(x)、y+py+q=f(x)、y+py+qy=f(x)等,各有其特定的解法。
常微分方程是一種包含未知函數及其導數的方程,通常表示為dy/dx=f(x,y),一階微分方程是指只含有一個未知函數及其一階導數的常微分方程,如dy/dx=f(x,y)。