二阶导数定义表达式怎么来的,二阶导数怎么理解

首页 > 经验 > 作者:YD1662022-10-26 18:35:49

胡克定律中有两点需要注意,一是它表达了振子离开平衡位置的位移与所受弹力成正比,二是弹力方向始终与位移的方向相反(前提是我们把振子的平衡位置定义为原点,即位移为0的位置)。

牛顿与胡克的“联姻”——常微分方程

接下来,让人尴尬的一步就出现了。如果我们把胡克定律中表达的F 带进牛顿第二定律中去,再把常数放在一起,就得到了下面这货:

二阶导数定义表达式怎么来的,二阶导数怎么理解(9)

在数学中为了更一般的讨论,常常把它写成下面这种形式:

二阶导数定义表达式怎么来的,二阶导数怎么理解(10)

在数学中,第2个方程被称为二阶常微分方程。叫“微分方程”是因为方程中有自变量的微商,叫二阶是因为微商的阶数最高是二阶的,叫“常”是因为等号右边的那一项正好是0。

为什么说尴尬呢?你瞧瞧,有着恩恩怨怨的牛顿和胡克虽然吵了一辈子,但是他们在科学上的成就却彼此左手拉右手,至少在描述简谐振动这件事儿上,别提它们有多甜蜜。

那么该如何求解这个二阶常微分方程,来得到位移x 关于时间t 的表达式呢?解法其实有很多,真真是八仙过海,各显神通了。在这里,我介绍两种求解方式,一个用的是费曼的推理手法,另一个用复数和指数求解的思路。我们一个个地看。

方式三 费曼的推理

费曼是一位擅长通过简单的例子去说明高深问题的大师。比如,1986年,挑战者号失事后,费曼只用一杯冰水和一只橡皮环,就在国会向公众揭示了挑战者失事的根本原因——低温下橡胶失去弹性。而在弹簧振子的问题上,费曼体现了他的另一个能力——面对一个一般的问题,先从简单的情况入手,抓住事物规律的核心,再去考虑补充其他的细节

二阶导数定义表达式怎么来的,二阶导数怎么理解(11)

接下来,就让我们一起,看看费曼是如何推导出振子位移随时间变化的振动方程的。

1. 考虑特殊情况,化简微分方程

上面的二阶常微分方程中有两个常数m和k,为分析的方便,我们不妨把m和k 放到一块儿,并令k/m=1 ,即假设有这样一个弹簧振子,它的劲度系数的数值和物块的质量的比值等于1,这个假设显然是允许的。这样,没有常数干扰的微分方程就写成了

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