十八世紀的常微分方程(五)

微分方程組

彈性理論使用微分方程,研究天體運動(兩個或多個物體相互作用)則使用微分方程組。在天文學中,列出微分方程的基礎是牛頓第二定律F=ma,1750年歐拉給出牛二在固定直角坐標系的分析形式:他還指出對于質點,m是總質量;對于分布均勻的物體,m是dM。

聽君一席話,如聽一席話

一個物體在另一個固定物體的引力下運動,兩個微分方程可以合成一個只含x,y(直角坐標)或r和θ(極坐標)的微分方程,運動軌跡是一條以固定物體為焦點的圓錐曲線。如果兩個物體在相互吸引下一起運動,就需要列六個微分方程的方程組,它的解表明:每個物體都是按(以兩個物體質心為焦點的)圓錐曲線運動。牛頓在《原理》中用幾何法解決了這一問題,但沒有做分析工作。早期法國人在力學上使用笛卡爾的理論,一直到伏爾泰1727年訪問倫敦后才把牛頓力學帶回法國(然后伏爾泰寫了牛頓看到蘋果落地從而發現萬有引力的故事,好家伙太能編了)。17世紀幾大數學家惠更斯、萊布尼茨、約翰伯努利反對萬有引力的觀點(不就是跟牛頓吵架的陣營嗎),丹尼爾伯努利用分析方法研究行星運動,得到了法國科學院的獎金(怪不得他爹很生氣,屬于政見不合啊),歐拉完全使用分析方法研究行星與彗星運動。

假設有n個球形物體,質量分布是球對稱的(密度為半徑的函數),得到第i個物體的運動方程:


j≠i,i=1,2,3……

每個物體3個方程,n個物體就是3n個方程,n體問題包括三體問題,是不能精確解出的。因此人們選擇了兩個方向:一、探索可以推導什么形式的、可以闡明運動的定理。二、找近似解,這就是攝動法。

對第一類,牛頓在《原理》中給出了n體運動幾個定理。如n體質量中心在一直線上做勻速運動。拉格朗日(1736-1813)則給出了三體問題的一些特殊情形和某些精確的結果。

拉格朗日小時候不愛學數學,17歲看了哈雷寫牛頓發明微積分的文章迷上數學分析(百度說這篇文章叫《論分析方法的優點》)19歲時他成為都靈皇家炮兵學校的數學教授(18歲時寫論文給歐拉,歐拉說你搞的這個東西萊布尼茨50年前搞過了,但是他沒有放棄,發展了歐拉提出的變分法,一下子有了名氣,當上了教授,真的是好勵tian志cai呢)。雖然拉格朗日的工作涉及許多領域,如數論、代數方程、微積分、微分方程、變分法,但他的主要興趣是把引力定律應用于行星運動。阿基米德是拉格朗日的偶像。

拉格朗日的代表作《分析力學》完善了牛頓的工作,但當時很難找到人出版,因此他曾經發牢騷說牛頓運氣太好了,就這么一個宇宙,而牛頓已經發現了它的數學規律(出生早了,沒趕上量子力學的好時代)。

1772年拉格朗日在三體問題中找到了一些特殊精確解,其中一個說:這些物體能作運動使運動軌跡同時描出三個相似橢圓,而且以三個物體的質心為共同焦點。一個是假定三個物體從一個等邊三角形的頂點開始運動,它們在三角形上運動,三角形本身圍繞著三物體質心運動,1906年被發現適用于太陽、木星和一個叫阿喀琉斯的小游星(搜百度只能搜到阿克琉斯,找不到這個星的信息,阿克琉斯:我還是去追龜吧)上。最后一個是:三物體在直線初始位置投入運動,在適當初始條件下會繼續固定在直線上,而直線在一平面上繞物體質心運動。

第二類n體問題,即找近似解或攝動理論:兩個球體在引力相互作用下沿圓錐曲線運動,稱這種運動是非攝動的。對這種運動的任何偏離(不管是位置還是速度),都稱為攝動運動(偏離原因:介質對運動有阻力,物體不是球體而是扁球等)。18世紀,拉普拉斯(1749-1827)在這一領域做了最大貢獻。

拉普拉斯16歲上大學學數學,完成學業后帶著推薦信找達朗貝爾被拒,后來拉普拉斯寫信闡述了力學的一般原理,引起了達朗貝爾重視,幫他安排了巴黎軍事學校數學教授的職位(達朗貝爾還是個HR呢?)他年輕時就搞了很多成果,1783年他接替了Bezout當軍事考試委員,給拿破侖考試(好神奇的履歷),法國大革命期間他當了度量衡委員會的委員,但是后來和拉瓦錫等人一起被開除了(怎么還有搞化學的!),他就隱居在巴黎附近的城市,寫了著名的《宇宙系統論》。革命后,他當上了內政大臣、議會委員、議會大臣。雖然拿破侖封他當了伯爵,但1814年他給拿破侖投了反對票,傍上了路易十八,后者封他為法蘭西侯爵和貴族(是呂布拉斯沒錯吧……)

拉普拉斯一邊搞政治一邊搞科研,1799-1785年他出版了五卷《天體力學》,把牛頓、克萊羅、達朗貝爾、歐拉、拉格朗日和自己的成果統一成一個整體,唯一的缺點是他不交代來源,整得好像都是他干的一樣。

1812年他出版了《概率的分析理論》,1814年再版序言是一篇通俗短文,里面有一段話關于決定論:世界的未來完全由過去決定,智者只要掌握這個世界在任一給定時刻的狀態的數學信息,就能預報未來(智者即拉普拉斯妖)。

拉普拉斯在數學物理上有很多發現,他對很多領域都感興趣,比如流體動力學、聲波傳播、潮汐;化學上搞了物質液態、表面張力等;他和拉瓦錫設計了測熱量的工具,測了很多物質的比熱。1827年拉普拉斯去世,據說遺言是:“我們知道的是很微小的;我們不知道的是無限的。”(德摩根說遺言是:“人們了解的只是幻像。”總之大師死前講的話也很有逼格就是了。)

拉普拉斯跟拉格朗日經常聯系,但個性大相徑庭,他老是偷拿拉格朗日的概念又不聲明來源。此外拉格朗日寫的東西清楚優美,而拉普拉斯雖然創造了很多新方法,但是他對純數學不感興趣,如果搞物理時碰到數學問題,他就說“容易看出……”鮑迪奇(1773-1838)翻譯了他的《天體力學》,吐槽說:一看到“容易看出”,我就知道要花幾個小時填補空白。

拉普拉斯的工作是處理行星運動的近似解,之所以有解是因為太陽占太陽系總質量的99.87%,行星之間的攝動力小,軌道近似橢圓。造成攝動的原因主要是木星占行星總質量70%以及地球衛星相當靠近地球,相互影響。

日地月問題是18世紀考慮最多的三體問題,因為航海需要了解月球運動。牛頓給出了幾何法的理論,歐拉和克萊羅試圖求精確解,1747年克萊羅用微分方程的級數解得到了進展,他應用到哈雷彗星運動上,預測了比較精確的回歸時間。

為了計算攝動產生了參數變值法:牛頓考慮了月球軌道的變值算出太陽對它的影響,約翰伯努利用變值法解個別情況下的非齊次方程,歐拉用變值法研究二階方程和木星、土星的相互攝動。拉格朗日充分發展了該方法,將單個常微分方程的參數變值法應用到n階方程,然后以更一般的方式應用到方程組上。

在發展變值法期間,拉格朗日和拉普拉斯解答了關于太陽系的基本問題。十八世紀人們改進了解微分方程的方法,也發現了新的物理事實,在之后兩個世紀,人們為進一步解答n體和太陽系問題做出努力。

總結

18世紀常微分方程成為獨立學科,對解的理解和尋求發生了變化。最初數學家用初等函數表示解,然后是沒有積出的積分,再接著是無窮級數。

數學家不僅想把解表示成積出形式,也在尋找可以用有限個初等函數表示其解的微分方程。達朗貝爾研究了橢圓積分,歐拉等人從微分方程導出其他方程;另一種研究是尋找級數解可以只含有限多個項的條件。

孔多塞企圖把求常微分方程的孤立方法統一起來,但是失敗了;歐拉證明凡可用變量分離法的地方都可用積分因子,反之則不然。他還證明高階微分方程不能用變量分離,但可以降階。

1775年起探索常微分方程的一般積分方法一直沒有新的進展,直到19世紀才引入算子方法和拉普拉斯變換。事實上人們對一般求解方法的興趣消退了,總的來說這門學科還是各種孤立技巧的匯編。

放個拉普拉斯的生平:拉普拉斯的傳奇人生

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