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簡說常微分方程

 瀟湘書院615 2015-09-26

本文作者:鄭英元

本文來源:《數(shù)學(xué)教學(xué)》

隨著微積分的創(chuàng)立,常微分方程問題也就出現(xiàn)了。實際上,牛頓(Newton,1642-1727,圖見本刊2009年第6期)第二定律的數(shù)學(xué)模型就是一個二階常微分方程式。

到1740年左右,人們已經(jīng)知道了幾乎所有求解一階方程式的初等解法。1728年,瑞士人歐拉(Euler, 1707-1783,圖1是1957年瑞士紀念歐拉誕生250周年發(fā)行的郵票)給出指數(shù)代換法, 將二階常微分方程化為一階方程來求解。從而開始了對二階常微分方程的系統(tǒng)研究。

1743年,歐拉又給出了高階常系數(shù)線性齊次方程的完整解法,這是對高階常微分方程的重要突破。 1774-1775年間,法國的拉格朗日(Lagrange,1736-1813,圖2是1958年應(yīng)用法國為拉格朗日逝世145周年發(fā)行的紀念郵票所制作的極限明信片)提出了用常數(shù)變易法求解一般高階變系數(shù)非齊次常微分方程。

圖 1:瑞士(1957)

圖 2:法國極限片(1958)


圖 3:法國(1989)


19世紀,法國的柯西(Cauchy,1789-1857,圖3是1989年法國紀念柯西誕生200周年發(fā)行的郵票)相繼開展對常微分方程解的存在性理論問題和與奇點問題相聯(lián)系的解析理論研究。 隨著法國的龐加萊(Jules Henri Poincaré,1854-1912,圖4是1952年法國紀念龐加萊逝世40周年發(fā)行的郵票)和克萊因(Felix Klein,1849-1925)關(guān)于自守函數(shù)理論的研究使常微分方程解析理論的研究達到高峰。

同時龐加萊還開創(chuàng)了對常微分方程定性理論的研究。龐加萊關(guān)于在奇點附近積分曲線隨時間變化的定性研究,為當(dāng)今動力系統(tǒng)理論奠定了堅實的基礎(chǔ), 且在1892年以后被俄國的李雅普諾夫(Александр Михайлович Ляпунов,1857-1918,圖5是1957年前蘇聯(lián)紀念李雅普諾夫誕生100周年發(fā)行的郵票)發(fā)展到一般高維情形而形成專門的“運動穩(wěn)定性理論”分支。 李亞普諾夫的工作使微分方程的發(fā)展出現(xiàn)了一個全新的局面。

1937年,俄國的龐特里亞金(Лев Семёнович Понтрягин,1908-1988)提出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性概念,要求系統(tǒng)在微小擾動下保持其穩(wěn)定性不變。 此外,前蘇聯(lián)科學(xué)院院長克爾德什(Мстислав Всеволодович Келдыш,1911-1978,圖6、7是1981年前蘇聯(lián)紀念克爾德什誕生70周年發(fā)行的郵品)對常微分方程邊值問題的研究也多有貢獻。

圖 4:法國(1952)

圖 5:前蘇聯(lián)(1957)

圖 6:前蘇聯(lián)(1981)

圖 7:前蘇聯(lián)加印科學(xué)家的普通郵資封(1981)

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