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求解運動學微分方程:定積分法

 cosmos2062 2022-07-27 發(fā)布于廣東

將運動學微分方程改寫成微分形式,從初始時刻開始到任意時刻對時間做定積分,就可以得到位置或速度與時間的依賴關系。

在《獲取物體的運動學量》和《求解運動學微分方程:原函數(shù)法》中,我們分別從物理和數(shù)學兩個層面出發(fā),討論了如何利用實測結果獲取物體的位置與時間的函數(shù)關系。容易驗證,這兩種方法得到的結果是一致的。為了,重新寫下求解運動學微分方程所得到的數(shù)學結果:

顯然,的一個原函數(shù),而則是一個原函數(shù),因此必有:
把這兩個等式代入求解運動學微分方程的數(shù)學結果中,馬上就可以得到:
這正是從物理層面出發(fā)得到的結果。

其實,從物理層面出發(fā)得到的定積分結果也可以直接從數(shù)學層面出發(fā)導出。為了證實這一點,寫下速度與加速度的定義式經(jīng)過改寫后的微分形式:

,
假定粒子在初始時刻處于初始位置或具有初始速度,對上述兩個經(jīng)過改寫的等式從初始時刻到任意時刻做定積分。在位置與速度的關系式中,等式左邊的積分必定等于,而在速度與加速度的關系式中,等式左邊的積分必定等于,于是:
這正是我們想要得到的結果!

我們看到,無論是原函數(shù)法還是定積分法,所得到的結果是相同的。這顯示無論用什么方法去求解運動學微分方程,只要給定了初始條件,最終都會得到一個唯一的物理結果。在數(shù)學上,這個特點被稱為微分方程的解的唯一性定理。

由于微分方程的解是唯一的,因此,在求解物理學的微分方程時,可以用任何一種方法去求解,這種方法可能是簡便的,也可能是我們熟悉的。在決定用某種方法去求解時,無需顧忌采用不同的方法所得到的結果是否會不一致。由于這個原因,今后在求解類似的微分方程時,會視具體問題的實際情況而采用不同的方法。

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