微分方程组
弹性理论使用微分方程,研究天体运动(两个或多个物体相互作用)则使用微分方程组。在天文学中,列出微分方程的基础是牛顿第二定律F=ma,1750年欧拉给出牛二在固定直角坐标系的分析形式:他还指出对于质点,m是总质量;对于分布均匀的物体,m是dM。
一个物体在另一个固定物体的引力下运动,两个微分方程可以合成一个只含x,y(直角坐标)或r和θ(极坐标)的微分方程,运动轨迹是一条以固定物体为焦点的圆锥曲线。如果两个物体在相互吸引下一起运动,就需要列六个微分方程的方程组,它的解表明:每个物体都是按(以两个物体质心为焦点的)圆锥曲线运动。牛顿在《原理》中用几何法解决了这一问题,但没有做分析工作。早期法国人在力学上使用笛卡尔的理论,一直到伏尔泰1727年访问伦敦后才把牛顿力学带回法国(然后伏尔泰写了牛顿看到苹果落地从而发现万有引力的故事,好家伙太能编了)。17世纪几大数学家惠更斯、莱布尼茨、约翰伯努利反对万有引力的观点(不就是跟牛顿吵架的阵营吗),丹尼尔伯努利用分析方法研究行星运动,得到了法国科学院的奖金(怪不得他爹很生气,属于政见不合啊),欧拉完全使用分析方法研究行星与彗星运动。
假设有n个球形物体,质量分布是球对称的(密度为半径的函数),得到第i个物体的运动方程:
每个物体3个方程,n个物体就是3n个方程,n体问题包括三体问题,是不能精确解出的。因此人们选择了两个方向:一、探索可以推导什么形式的、可以阐明运动的定理。二、找近似解,这就是摄动法。
对第一类,牛顿在《原理》中给出了n体运动几个定理。如n体质量中心在一直线上做匀速运动。拉格朗日(1736-1813)则给出了三体问题的一些特殊情形和某些精确的结果。
拉格朗日小时候不爱学数学,17岁看了哈雷写牛顿发明微积分的文章迷上数学分析(百度说这篇文章叫《论分析方法的优点》)19岁时他成为都灵皇家炮兵学校的数学教授(18岁时写论文给欧拉,欧拉说你搞的这个东西莱布尼茨50年前搞过了,但是他没有放弃,发展了欧拉提出的变分法,一下子有了名气,当上了教授,真的是好励tian志cai呢)。虽然拉格朗日的工作涉及许多领域,如数论、代数方程、微积分、微分方程、变分法,但他的主要兴趣是把引力定律应用于行星运动。阿基米德是拉格朗日的偶像。
拉格朗日的代表作《分析力学》完善了牛顿的工作,但当时很难找到人出版,因此他曾经发牢骚说牛顿运气太好了,就这么一个宇宙,而牛顿已经发现了它的数学规律(出生早了,没赶上量子力学的好时代)。
1772年拉格朗日在三体问题中找到了一些特殊精确解,其中一个说:这些物体能作运动使运动轨迹同时描出三个相似椭圆,而且以三个物体的质心为共同焦点。一个是假定三个物体从一个等边三角形的顶点开始运动,它们在三角形上运动,三角形本身围绕着三物体质心运动,1906年被发现适用于太阳、木星和一个叫阿喀琉斯的小游星(搜百度只能搜到阿克琉斯,找不到这个星的信息,阿克琉斯:我还是去追龟吧)上。最后一个是:三物体在直线初始位置投入运动,在适当初始条件下会继续固定在直线上,而直线在一平面上绕物体质心运动。
第二类n体问题,即找近似解或摄动理论:两个球体在引力相互作用下沿圆锥曲线运动,称这种运动是非摄动的。对这种运动的任何偏离(不管是位置还是速度),都称为摄动运动(偏离原因:介质对运动有阻力,物体不是球体而是扁球等)。18世纪,拉普拉斯(1749-1827)在这一领域做了最大贡献。
拉普拉斯16岁上大学学数学,完成学业后带着推荐信找达朗贝尔被拒,后来拉普拉斯写信阐述了力学的一般原理,引起了达朗贝尔重视,帮他安排了巴黎军事学校数学教授的职位(达朗贝尔还是个HR呢?)他年轻时就搞了很多成果,1783年他接替了Bezout当军事考试委员,给拿破仑考试(好神奇的履历),法国大革命期间他当了度量衡委员会的委员,但是后来和拉瓦锡等人一起被开除了(怎么还有搞化学的!),他就隐居在巴黎附近的城市,写了著名的《宇宙系统论》。革命后,他当上了内政大臣、议会委员、议会大臣。虽然拿破仑封他当了伯爵,但1814年他给拿破仑投了反对票,傍上了路易十八,后者封他为法兰西侯爵和贵族(是吕布拉斯没错吧……)
拉普拉斯一边搞政治一边搞科研,1799-1785年他出版了五卷《天体力学》,把牛顿、克莱罗、达朗贝尔、欧拉、拉格朗日和自己的成果统一成一个整体,唯一的缺点是他不交代来源,整得好像都是他干的一样。
1812年他出版了《概率的分析理论》,1814年再版序言是一篇通俗短文,里面有一段话关于决定论:世界的未来完全由过去决定,智者只要掌握这个世界在任一给定时刻的状态的数学信息,就能预报未来(智者即拉普拉斯妖)。
拉普拉斯在数学物理上有很多发现,他对很多领域都感兴趣,比如流体动力学、声波传播、潮汐;化学上搞了物质液态、表面张力等;他和拉瓦锡设计了测热量的工具,测了很多物质的比热。1827年拉普拉斯去世,据说遗言是:“我们知道的是很微小的;我们不知道的是无限的。”(德摩根说遗言是:“人们了解的只是幻像。”总之大师死前讲的话也很有逼格就是了。)
拉普拉斯跟拉格朗日经常联系,但个性大相径庭,他老是偷拿拉格朗日的概念又不声明来源。此外拉格朗日写的东西清楚优美,而拉普拉斯虽然创造了很多新方法,但是他对纯数学不感兴趣,如果搞物理时碰到数学问题,他就说“容易看出……”鲍迪奇(1773-1838)翻译了他的《天体力学》,吐槽说:一看到“容易看出”,我就知道要花几个小时填补空白。
拉普拉斯的工作是处理行星运动的近似解,之所以有解是因为太阳占太阳系总质量的99.87%,行星之间的摄动力小,轨道近似椭圆。造成摄动的原因主要是木星占行星总质量70%以及地球卫星相当靠近地球,相互影响。
日地月问题是18世纪考虑最多的三体问题,因为航海需要了解月球运动。牛顿给出了几何法的理论,欧拉和克莱罗试图求精确解,1747年克莱罗用微分方程的级数解得到了进展,他应用到哈雷彗星运动上,预测了比较精确的回归时间。
为了计算摄动产生了参数变值法:牛顿考虑了月球轨道的变值算出太阳对它的影响,约翰伯努利用变值法解个别情况下的非齐次方程,欧拉用变值法研究二阶方程和木星、土星的相互摄动。拉格朗日充分发展了该方法,将单个常微分方程的参数变值法应用到n阶方程,然后以更一般的方式应用到方程组上。
在发展变值法期间,拉格朗日和拉普拉斯解答了关于太阳系的基本问题。十八世纪人们改进了解微分方程的方法,也发现了新的物理事实,在之后两个世纪,人们为进一步解答n体和太阳系问题做出努力。
总结
18世纪常微分方程成为独立学科,对解的理解和寻求发生了变化。最初数学家用初等函数表示解,然后是没有积出的积分,再接着是无穷级数。
数学家不仅想把解表示成积出形式,也在寻找可以用有限个初等函数表示其解的微分方程。达朗贝尔研究了椭圆积分,欧拉等人从微分方程导出其他方程;另一种研究是寻找级数解可以只含有限多个项的条件。
孔多塞企图把求常微分方程的孤立方法统一起来,但是失败了;欧拉证明凡可用变量分离法的地方都可用积分因子,反之则不然。他还证明高阶微分方程不能用变量分离,但可以降阶。
1775年起探索常微分方程的一般积分方法一直没有新的进展,直到19世纪才引入算子方法和拉普拉斯变换。事实上人们对一般求解方法的兴趣消退了,总的来说这门学科还是各种孤立技巧的汇编。
放个拉普拉斯的生平:拉普拉斯的传奇人生