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建立常微分方程模型的方法和步驟

  微分方程的數(shù)學模型是反映客觀現(xiàn)實世界中量與量的變化關系,經(jīng)常性的表現(xiàn)出與時間有關的一個動態(tài)的系統(tǒng)。于是在構造常微分方程時,一般有以下幾種方法:

  (1)運用已知的基本定律或基本公式建立常微分方程模型

  這個方法是最常用的,從物理、力學、生物學、經(jīng)濟學、人口學等學科中已知的定理或定律上出發(fā),考慮其主要因素,忽略不重要的因素,找出各變量及各變量的導數(shù)關系式,列出相應的微分方程,建立出來合理的數(shù)學模型。

  (2)利用導數(shù)的定義建立微分方程模型

  在微積分中導數(shù)是一個重要概念,其定義為

  如果函數(shù) 是可微的,那么 就可解釋為 相對于 在該點的瞬時變化率。在很多數(shù)學建模中我們會應用到導數(shù),并且把導數(shù)解釋為瞬時變化率.比如在人口增長問題里的“速率”、“增長”;在物理學中速度的變化,加速度的問題。在第三章的減肥問題的模型中,就是利用導數(shù)的定義建立了一個一階非齊次微分方程來作為變量之間的關系式。

  (3)利用微元分析法和在任意區(qū)域取積分的方法建立常微分方程模型

  這種方法主要是通過尋求微元之間的關系式,直接對函數(shù)運用有關定律建立模型.在我們生活中,有許多現(xiàn)象可以用各變量的微元的關系式來表達。一般的,對于這類問題,我們可以利用微元分析法將一些已知的規(guī)律建立自變量與未知函數(shù)之間的關系式,然后再通過計算極限的方法來得到微分方程,或者通過取積分的方法來得到方程。這種方法經(jīng)常被應用于各種領域.例如在空間解析幾何上可以用微元法求曲線的弧長、平面圖形的面積、旋轉(zhuǎn)曲面的面積、旋轉(zhuǎn)體體積等。

  (4)模擬近似法

  在生物經(jīng)濟等領域中,我們對于問題的規(guī)律或者現(xiàn)象不是很清楚或者問題比較復雜的情況,常用模擬近似法來建立常微分方程模型.這類模型一般要做一些合理假設,將要研究的問題突出出來.這個過程往往是近似的,因此用此法建立常微分方程模型后,要分析其解的有關性質(zhì),在此基礎上同實際情況對比,看所建立的模型是否符合實際,必要時要對假設或模型進行修改。

  在實際建立模型的過的程中,不可能只用到一種方法,往往是將以上的方法結合起來,應用到實際問題中。但是,不論用到哪種方法我們都需要根據(jù)實際情況進行問題的簡化、假設、計算等過程,并且要對結果進行分析,下面根據(jù)我們上面建立的模型來具體解釋建模時所需要的步驟。

  基礎部:劉小剛

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