十八世紀的常微分方程(二)

一階常微分方程

惠更斯1693年明確提到微分方程柏肪,萊布尼茨稱微分方程是特征三角形的邊的函數(shù),我們現(xiàn)在所認為的常微分岭洲,即由給定函數(shù)及其導數(shù)中消除任意常數(shù)后得到微分方程苦始,是1740年Alexis Fontaine des Bertins提出的。

1690年詹姆斯伯努利研究等時問題:求一條曲線奈惑,當擺沿著曲線振動時吭净,不管經(jīng)歷的弧長大小,擺做一次振動的用時都相等(這條曲線就是擺線)肴甸。萊布尼茨給出了一個分析解寂殉,而伯努利通過微分等式得出了曲線方程。同年他提問:一根柔軟而定長的弦自由懸掛于兩固定點原在,求弦形成的曲線友扰。早在15世紀達芬奇也有此問,伽利略猜想是拋物線庶柿,惠更斯否認了這一猜測村怪,因為除非弦的重量及載荷按水平方向計算是均勻的,曲線才是拋物線浮庐,而這個問題里重量沿曲線方向均勻甚负。

次年約翰伯努利用微分方程dy/dx=s/c推導出結果,其中s是最低點到弦上任意點的弧長,c是弦在單位長度的重量腊敲,這個方法也是現(xiàn)代微積分和力學課本中采用的方法,結果記為y=c\cosh \frac{x}{c}  维苔,因為解決了哥哥的提問碰辅,他很得意,1718年在給Montmort(1678-1719)的信中炫耀自己比哥哥聰明(朋友介时,這都27年了還念念不忘没宾,而且對方都快去世了還要聽你炫耀,什么仇什么怨胺腥帷Qァ)

1691-1692年,伯努利兄弟解決了很多繩子形狀問題褐澎,約翰還解決了逆問題:已知非彈性細繩形狀的曲線方程会钝,求繩子密度相對于弧長的變化規(guī)律,在力學教科書里搶占了一席之地工三。哥哥也沒閑著迁酸,證明了給定繩長和固定點,所有形狀的繩子里俭正,懸鏈線的重心最低奸鬓;此外推導了跟蹤曲線的方程。

1691年萊布尼茨想到了常微分方程的分離變量法掸读,把形如ydx/dy=f(x)g(y)的方程改寫為dx/f(x)=g(y)dy/y就能在兩邊積分串远,但他沒建立一般方法。同年他對一階齊次方程y'=f(y/x)求解儿惫,1694年約翰伯努利對變量分離和齊次方程做了更完整的說明澡罚。1695年詹姆斯提出求解一個方程(現(xiàn)在叫伯努利方程),次年他通過分離變量解出肾请,萊布尼茨通過變量替換把方程化成線性方程始苇,給了另一種解法。

1694年萊布尼茨和詹姆斯伯努利引入了找等交曲線或曲線族的問題:找一曲線或曲線族與已知曲線相交于給定角度筐喳。他們解出了一些特例催式,暫時擱置了問題,直到1715年萊布尼茨向牛頓挑戰(zhàn):找出求一已知曲線族的正交軌線的一般方法(很懷疑萊布尼茨想到頭禿終于想到咋做了避归,興沖沖提問)牛頓利用睡前時間得到了答案荣月,還指明了如何求與已知曲線族相交成定角或相交角隨族中曲線規(guī)律變化的曲線。詹姆斯的學生Jacob?Hermann給出了正交軌線的常微分方程梳毙,把萊布尼茨的方法闡釋得更為明確哺窄。

當時人們已認識了一階恰當方程。1739年克萊羅給出了恰當方程的條件(1734年歐拉也給出了),如果是恰當方程就可以積分萌业,如果方程不恰當坷襟,往往可以乘以一個量(積分因子)轉(zhuǎn)化為恰當方程。歐拉確立了能轉(zhuǎn)為恰當方程的方程類屬生年,克萊羅引入了積分因子概念婴程,完善了理論。

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