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拉普拉斯方程

要知道一颗行星如何吸引一个点,就得把它每一块的吸引力加起来。每一块都朝不同方向拉,而力的相加很费事:它们是向量,每个有三个分量。18 世纪的数学家发现了一条捷径,拉普拉斯把它变成了一件工具。 加数而不是加箭头 对于集中在一点的质量 $M$,考虑这个数 $$V = \frac{M}{r},$$其中 $r$ 是到该质量的距离(我们略去常数 $G$)。这个后来被称为势的数包含了力的全部信息:吸引力在每个方向上的分量,就是 $V$ 在该方向上的导数。最大的好处是,对于多个质量,势像数一样直接相加。先把行星所有部分的势加起来,再求一次导数,就得到力。 方程 拉普拉斯注意到,在质量之外的任何一点,势都服从一个非常简单的方程: $$\frac{\partial^2 V}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 V}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 V}{\partial z^2} = 0.$$今天我们写作 $\nabla^2 V = 0$,符号 $\nabla^2$ 称为拉普拉斯算子。拉普拉斯 1782 年在一篇关于行星形状的论文中以球坐标形式发表了这个方程,1787 年研究土星环时又给出了上面的直角坐标形式。 不妨对原点处的单个质量验证一下。设 $r = \sqrt{x^2+y^2+z^2}$,$V = \frac{1}{r}$: $$\frac{\partial V}{\partial x} = -\frac{x}{r^3}, \qquad \frac{\partial^2 V}{\partial x^2} = -\frac{1}{r^3} + \frac{3x^2}{r^5}.$$把三个方向相加: $$\nabla^2 V = -\frac{3}{r^3} + \frac{3(x^2+y^2+z^2)}{r^5} = -\frac{3}{r^3} + \frac{3}{r^3} = 0.$$由于方程是线性的,解的和仍是解:任何一组质量的势在质量之外都满足它。满足拉普拉斯方程的函数称为调和函数。 方程说了什么 这个方程有一个简单的解读。把平面分成点的网格。在离散形式下,$\nabla^2 V = 0$ 是说每一点的值等于四个相邻点的平均值:

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切线的反问题

微分学回答的问题是:已知一条曲线,它在每一点的切线是什么?17 世纪的数学家很快意识到,反过来的问题更难也更有用:已知切线必须具有的某种性质,曲线是什么?这个问题被称为切线的反方法,它是《分析讲义》第四册,也就是最后一册的主题。今天我们把它叫作解微分方程。 1638 年的一个问题 这类问题中最早的一个,是法国律师、业余数学家弗洛里蒙·德博纳在 1638 年向勒内·笛卡儿提出的。笛卡儿没能完全解出来。直到 1684 年,莱布尼茨发表了第一篇关于微积分的论文,证明所求的曲线涉及对数,问题才得到解决。这证明了新方法能解决旧几何力所不及的问题。 次切线为常数 当时的教科书里常见的一个经典例子用到了次切线。在曲线上的点 $(x, y)$ 处作切线,直到它与 $x$ 轴相交。次切线就是这个交点与纵坐标垂足之间的水平距离。切线在这段距离上升高了 $y$,所以斜率为 $y' = \frac{y}{s}$,即 $$s = \frac{y}{y'}.$$哪条曲线的次切线在每一点都相等,等于常数 $k$?条件是 $y' = \frac{y}{k}$。分离变量,也就是把依赖于 $y$ 的都放到一边,依赖于 $x$ 的放到另一边: $$\frac{dy}{y} = \frac{dx}{k} \quad\Longrightarrow\quad \ln y = \frac{x}{k} + C \quad\Longrightarrow\quad y = A\,e^{x/k}.$$次切线为常数的曲线是指数曲线,当时称为“对数曲线”。 箕舌线也是一个解 阿涅西曲线本身就是一个微分方程的解。取 $a = 1$,$y = \frac{1}{1 + x^2}$,其导数为 $$y' = -\frac{2x}{(1 + x^2)^2} = -2x \cdot \left(\frac{1}{1 + x^2}\right)^2 = -2x\,y^2.$$也就是说,箕舌线是这样一条曲线:每一点切线的斜率等于 $-2x$ 乘以高度的平方。在下面的练习里,我们走反方向:从这个性质出发,重新得到这条曲线。 微分方程的论著 1749 年《分析讲义》第二卷出版时,微分方程是数学中最活跃的课题。欧拉、达朗贝尔和丹尼尔·伯努利用它们研究振动的弦、流体和行星,并把结果发表在冗长艰深的论文里。阿涅西的第四册是最早为学生整理解法的著作之一,书中的问题由浅入深、循序渐进。

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形态发生:方程里的豹斑

胚胎起初是一团几乎相同的细胞。然而最后,每只手有五根手指,斑马有条纹,豹子有斑点。如果起初一切都是均匀的,形态从何而来?1952 年,在他发表的最后一篇重要论文《形态发生的化学基础》中,图灵提出了一个数学答案,生物学家花了几十年才证实它。 两种物质,两种速度 设想两种化学物质,图灵称之为形态发生素,在组织中扩散。今天人们通常这样描述它们: 一种激活剂,促进自身的生成,也促进另一种的生成; 一种抑制剂,抑制激活剂。 两者相互反应并且扩散,也就是从浓度高的地方扩散到浓度低的地方,就像一滴墨水在水中散开。关键在于:抑制剂扩散得比激活剂快。 看看如果某一点偶然多出一点激活剂会发生什么。那里会产生更多的激活剂和更多的抑制剂。激活剂慢,留在原地聚集;抑制剂快,跑向两侧,阻止附近再出现激活剂的高峰。结果是一个高峰被一圈没有高峰的地带包围,接着又是一个高峰、一圈地带:间隔规则的斑点或条纹,凭空出现。 计算 图灵写出了方程,并在均匀状态附近将其线性化。在一条直线状的组织中,用 $u$ 和 $v$ 表示激活剂和抑制剂的偏差: $$\begin{aligned} \frac{\partial u}{\partial t}&=a\,u+b\,v+D_u\frac{\partial^2u}{\partial x^2},\\ \frac{\partial v}{\partial t}&=c\,u+d\,v+D_v\frac{\partial^2v}{\partial x^2}. \end{aligned}$$含 $a$、$b$、$c$、$d$ 的项是反应;含 $D_u$ 和 $D_v$ 的项是扩散。为了看一个波长为 $\frac{2\pi}k$ 的小波是增长还是消失,试探形如 $e^{\lambda t}\cos kx$ 的解。令 $q=k^2$,就得到矩阵 $$\begin{pmatrix}a-D_uq&b\\c&d-D_vq\end{pmatrix},$$当这个矩阵的行列式变为负数时,波就会增长。 取具体的数:$a=1$,$b=-1$,$c=2$,$d=-1.5$。没有扩散时($q=0$),行列式是 $1\cdot(-1.5)-(-1)\cdot2=0.5>0$,迹是 $-0.5<0$:均匀状态是稳定的,仅靠化学反应不会产生任何图案。 现在打开扩散,让抑制剂快十倍,$D_u=1$,$D_v=10$: $$\det(q)=(1-q)(-1.5-10q)+2=10q^2-8.5q+0.5.$$它的根是 $q\approx0.064$ 和 $q\approx0.786$。在两根之间,行列式是负的:这些波长的波会增长。增长最快的在中间,$q=0.425$,波长 $\frac{2\pi}{\sqrt{0.425}}\approx9.6$。扩散通常抹平差异,在这里却制造了差异。所以这种现象叫作扩散引起的不稳定性。 一个反应–扩散模型的计算机模拟,用的是格雷–斯科特模型,它是图灵模型的近亲。从随机散布的斑块出发,同样的方程只改动两个反应常数,就能产生规则的圆点(左)或弯曲的条纹(右)。为本站制作的模拟 · Euler’s Eyes 从计算到动物 (a) 图灵 1952 年算出的一圈细胞中的图案;(b) 他在曼彻斯特计算机上计算得到的平面组织上的斑点;(c) 猎豹的皮毛。Philip Ball · Wikimedia Commons · CC BY 4.0 图灵在曼彻斯特的计算机上做了一部分计算,得到的图案之一是一种不规则的斑驳花纹,与某些动物的花纹相似。他并不知道形态发生素会是哪些物质,当时的生物学也无从验证。这个想法在几十年里几乎被遗忘了。

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拉普拉斯变换

对数把乘法变成加法:要把两个数相乘,就把它们的对数相加,再变回来。拉普拉斯变换对微分方程做了类似的事:把导数换成乘法。先解一个代数方程,再变回来。 起源 拉普拉斯是通过概率得到这个想法的。在 1812 年的《概率的解析理论》中,他用母函数来组织计算:不直接处理一串概率,而是处理一个把它们全部储存起来的函数。这个想法的连续版本是一个积分,欧拉早先用过,但拉普拉斯对它做了系统的探索: $$F(s) = \int_0^{\infty} e^{-st} f(t)\,dt.$$每个函数 $f(t)$ 都变成一个新函数 $F(s)$,即它的拉普拉斯变换,记作 $\mathcal{L}\{f\}$。 几个例子 对常数 $f(t) = 1$: $$\mathcal{L}\{1\} = \int_0^{\infty} e^{-st}\,dt = \left[-\frac{e^{-st}}{s}\right]_0^{\infty} = \frac{1}{s} \quad (s > 0).$$对指数函数 $f(t) = e^{at}$,两个指数合并: $$\mathcal{L}\{e^{at}\} = \int_0^{\infty} e^{-(s-a)t}\,dt = \frac{1}{s-a} \quad (s > a).$$导数变成乘法 使变换有用的性质来自一次分部积分: $$\mathcal{L}\{f'\} = \int_0^{\infty} e^{-st} f'(t)\,dt = \Big[e^{-st}f(t)\Big]_0^{\infty} + s\int_0^{\infty} e^{-st} f(t)\,dt = sF(s) - f(0).$$对 $f$ 求导,相当于把 $F$ 乘以 $s$(再减去初始值)。微分方程变成代数方程,而初始值已经包含在计算里了。 一个电路 在一个由电阻和电容组成、接在电池上的电路中,电容两端的电压 $y(t)$ 在适当的单位下满足 $$y' + y = 1, \qquad y(0) = 0.$$对两边做变换:$sY - 0 + Y = \frac{1}{s}$,即

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可以因式分解的 D:作为算子的导数

用 $D$ 表示“对 $x$ 求导”。于是 $D(x^3)=3x^2$,$D(\sin x)=\cos x$,求两次导就是 $D(D(f))$,简写为 $D^2f$。到这里为止,它只是一个缩写。有趣的事从认真对待写法的形状开始:既然 $D^2$ 看起来像平方,为什么不把 $D$ 当作一个数? 微分方程变成多项式 考虑方程 $$y''-3y'+2y=0.$$用 $D$ 写,就是 $D^2y-3Dy+2y=0$,或者把 $y$ 提出来: $$(D^2-3D+2)\,y=0.$$现在走大胆的一步:把关于 $D$ 的“多项式”像关于 $r$ 的多项式那样因式分解: $$(D-1)(D-2)\,y=0.$$如果 $(D-1)y=0$,那么 $y'=y$,$y=e^{x}$。如果 $(D-2)y=0$,那么 $y'=2y$,$y=e^{2x}$。方程的解是这些组合: $$y=C_1e^{x}+C_2e^{2x}.$$刚才发生的事情是:一个微分方程被中学代数解出来了。记号 $D$ 把“哪个函数满足它各阶导数之间的这个关系?”这个问题,变成了“$r^2-3r+2$ 的根是什么?”这个问题。教科书把这个多项式叫作特征方程,这个方法对任何常系数线性方程都适用。 指数里的泰勒 这个技巧还能走得更远。泰勒级数说 $$\begin{aligned} f(x+h)&=f(x)+h\,f'(x)\\ &\quad+\frac{h^2}{2!}f''(x)+\frac{h^3}{3!}f'''(x)+\cdots \end{aligned}$$用 $D$ 来写,就成了 $$\begin{aligned} f(x+h)&=\Bigl(1+hD+\frac{(hD)^2}{2!}\\ &\qquad+\frac{(hD)^3}{3!}+\cdots\Bigr)f(x). \end{aligned}$$括号里的级数正是指数函数的级数,只是把数换成了 $hD$。所以 $$f(x+h)=e^{hD}f(x).$$把一个函数平移 $h$,就是对它施以导数的指数。这样一句话按字面读毫无意义,作为一条能给出正确结果的操作规则来读,却完全说得通。 布尔与亥维赛 奥利弗·亥维赛(1850–1925),自学成才的英国工程师和物理学家,在任何人知道如何证明之前,就用算子演算解出了电报线路的问题。作者不详 · Wikimedia Commons · 公有领域 1844 年,乔治·布尔——就是逻辑代数的那个布尔——发表了一篇关于这种“算子演算”的获奖论文。但把这个想法推向极致的,是英国人奥利弗·亥维赛,一位自学成才的电报员。十九世纪八九十年代,他把 $D$ 当作数,对 $D$ 开平方、除以 $D$,来解海底电缆的方程,从不操心如何证明。 剑桥的数学家抱怨他不够严格。亥维赛用一句后来很有名的话回答: 难道我因为不完全理解消化的过程,就该拒绝吃饭吗? — 据称出自奥利弗·亥维赛 结果都是对的。证明是几十年后随着拉普拉斯变换而来的:它把求导变成乘以一个数,使亥维赛凭眼力做的事变得严格。这是一个罕见而美丽的例子:记号走在了理论前面。写法暗示了计算,计算奏效了,人们后来才明白为什么。

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微分方程:字谜里的定律、∂ 与 ∇

1676 年,英国人罗伯特·胡克在一本关于太阳观测镜(一种观测太阳的仪器)的书末尾,发表了一串他还不想公开的发现。其中一条是这样的: $$\textit{ceiiinosssttuv}$$这是一个字谜:一句拉丁文的字母被打乱,再按字母顺序排列。这是一种既能记录发现的优先权、又不把它拱手送给对手的办法。两年后的 1678 年,胡克揭晓了这句话:ut tensio, sic vis,“伸长如何,力就如何”。弹簧拉得越长,往回拉的力就越大。今天我们用四个符号写它: $$F=-kx.$$字谜恰恰是记号的反面:一种为了隐藏而作的书写。公式则是为了显示。同一条定律,在一百多年里从一个极端走到了另一个极端。 答案是函数的问题 在弹簧上挂一个质量为 $m$ 的物体,拉一下再松手。物体在每一时刻 $t$ 会在哪里?把胡克定律和牛顿定律 $F=m\cdot a$ 结合起来,并把加速度写成位置的二阶导数,就得到 $$m\,\frac{d^2x}{dt^2}=-k\,x.$$这是一个微分方程。它乍看很奇怪,因为未知的不是一个数,而是一个函数:给出每一时刻位置的规则 $x(t)$。本站早期的文章把这类问题提成一个谜语:“有一个函数 $h$,它的二阶导数加上它自己等于零;这是什么函数?”答案是正弦或余弦,因为对它们中的任何一个求两次导数,都会得到它本身、只是符号相反: $$\frac{d^2}{dt^2}\cos t=-\cos t.$$对弹簧来说,解是 $x(t)=A\cos(\omega t)+B\sin(\omega t)$,其中 $\omega=\sqrt{k/m}$。莱昂哈德·欧拉在 1740 年代说明了如何一次解出这一整族方程,把关于函数的问题换成一个普通的代数方程。这之所以可能,是因为欧拉的 $f(x)$ 和莱布尼茨的 $\frac{d}{dx}$ 已经为函数及其导数命名:一个函数之间的方程,需要一种把函数当作对象的书写。 单位也是符号 怎么知道 $\omega=\sqrt{k/m}$ 是对的,而不是 $\sqrt{m/k}$?靠单位。常数 $k$ 度量的是单位长度上的力,$\frac{\mathrm N}{\mathrm m}=\frac{\mathrm{kg}}{\mathrm s^2}$。除以质量,得到 $\frac1{\mathrm s^2}$,开方得到 $\frac1{\mathrm s}$:这正是一个在余弦里与时间相乘的量应有的单位,因为余弦的自变量必须是纯数。如果是 $\sqrt{m/k}$,得到的是秒,而 $\cos(\text{秒}\cdot\text{秒})$ 毫无意义。 这种核对,即量纲分析,由约瑟夫·傅里叶在 1822 年系统化,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦推广了方括号写法:$[M]$ 表示质量,$[L]$ 表示长度,$[T]$ 表示时间。力就成了 $[F]=[M][L][T]^{-2}$。本站早期的文章喜欢提醒读者,许多高考物理题光靠这条路就能解出来。从符号学的角度看,单位是粘在数上的第二层符号,这一层不是用来计算的,而是用来核对的:一个单位对不上的公式,在任何计算之前就已经错了。 ∂ 与竖琴 当一个量同时依赖于好几个量时,比如气体的体积依赖于温度 $T$ 和压强 $P$,莱布尼茨的导数就需要加一句说明:“对 $T$ 求导,保持 $P$ 不变”。1786 年,法国人阿德里安-马里·勒让德提出用一个圆圆的 $d$,即 $\partial$,表示这种偏导数,但不久就放弃了。1841 年,德国人卡尔·雅可比把它重新启用,这一次它站住了脚。有了它,体积的全变化写作