Differentiaalvergelijkingen zijn vergelijkingen waarin de onbekende een functie is. Je kent natuurlijk wel de 'gewone' vergelijkingen als 3x + 5 = 8, waaruit je 'x' moet oplossen; x is hier gewoon een getal (in dit geval 1). In een differentiaalvergelijking heb je ook een 'onbekende', maar dan is het een functie.
In tegenstelling echter tot 'gewone' vergelijkingen heeft een differentiaalvergelijking vaak meer oplossingen; typische gevallen zijn dat je in je oplossing een constante hebt die eigenlijk alle waarden kan aannemen. Een typische (gewone) differentiaalvergelijking bestaat dus uit een vergelijking waarin die onbekende functie (in één variabele, dus gewoon f(x)) voorkomt, inclusief z'n afgeleiden.
Laat ik even een heel simpel voorbeeld nemen:
f' = f
We zoeken nu een functie f(x) die aan deze vergelijking voldoet. Als je een beetje differentiëren en integreren hebt gehad weetje dat e^x als eigenschap heeft dat d(e^x)/x = e^x. En inderdaad, deze functie voldoet aan onze differentiaalvergelijking. Maar dat is niet de enige mogelijkheid. 2e^x voldoet ook natuurlijk. Of 3e^x. Kortom, de algemene oplossing is f(x) = Ce^x. Waarbij C een constante is. Nu zie je vaak randvoorwaarden gegeven die die constante vastleggen, er kan bijvoorbeeld gegeven zijn dat f(0) = 5. In dat geval los je dat op, dus Ce^0 = 5, wat direct geeft dat C ook 5 moet zijn.
Voor differentiaalvergelijkingen zijn er allemaal technieken, voor homogene lineaire vergelijkingen, inhomogene, je hebt scheiding van variabelen, truukjes met karakteristieke polynomen, et cetera. Daar ga ik allemaal niet op in.
Wat handig is, en wat ik nog niet verteld heb, is hoe je je iets kunt voorstellen bij een differentiaalvergelijking. Eerlijk gezegd vind ik dat zelf vaak lastig bij een willekeurige vergelijking (differentiaalvergelijkingen zijn ook niet helemaal mijn favoriete tijdsbesteding op zondagmiddag zeg maar) ik kan je eigenlijk alleen een voorbeeld aan de hand doen dat een duidelijke fysische interpretatie heeft.
Stel je hebt een (onvermijdelijk als je differentiaalvergelijkingen doet) massaveersysteem. Dus, een massa met een veertje eraan. Die massa noemen we vast m. Dan zegt de wet van Hooke dat F = -kx, dat wil zeggen, de kracht die uitgeoefend wordt op de massa hangt af van de veerconstante (k) maal de uitgerektheid van de veer (weergegeven door x). Die - geeft vooral de richting aan, namelijk de andere kant op dan de kant op die de veer uitgerekt wordt. Dus dat ding zegt gewoon, als je een veer verder uitrekt, dan trekt-ie harder terug. Als je dit natuurlijk allemaal al weet dan gewoon negeren.
Dan komen we met Newtons wet, namelijk F = ma. We weten dat de verandering van plaats snelheid is, ofwel v = x', en de verandering van snelheid is de versnelling, dus a = v', ofwel a = x''.
Dat kan mooi gebruikt worden in deze vergelijking, want de snelheid waarmee die massa die aan die veer zit accelereert hangt af van de kracht waarmee die veer eraan trekt. We stellen die F'jes dus gelijk (en negeren daarmee wrijving e.d.), we krijgen nu:
ma = -kx, of met ons voorgaande: mx'' = -kx
We hebben hier, ookal staat het er nog niet zo expliciet, een differentiaalvergelijking te pakken. We willen namelijk de uitwijking over de tijd weten, dus x is eigenlijk een onbekende functie in een variabele t, dus: mx''(t) = -kx(t) wellicht voor de duidelijkheid.
En dit model kun je oplossen (dat doe ik niet, maar er komt een cosinus functie uit, dus je krijgt dat de massa de hele tijd heen en weer schiet, dat is ook wel logisch, want er er is geen demping. Als je dat wel zou invoeren, dan zou je iets krijgen waarbij de amplitude langzaamaan kleiner wordt, het systeem komt dus tot stilstand).
Het systeem het een harmonische oscillator, of harmonic oscillator, en daarvan is er genoeg op internet te vinden. Andere wel inzichtelijke vergelijkingen zijn prooi-roofdiermodellen (predator prey) bijvoorbeeld Lotka Volterra. Daar kun je ook goed zien aan de grafiekjes en faseplotjes 'wat er nou gebeurt' en hoe zo'n differentiaalvergelijking wat voorstelt.
Hopelijk krijg je zo een beetje 'gevoel' voor differentiaalvergelijkingen. Vaak treden ze dus op als een grootheid afhankelijk van z'n eigen waarde meer of minder verandert. Dus met die veer, hoe verder die is uitgerekt (hoe groter x), hoe sneller x ook verandert. Met prooi-roofdiermodellen: hoe meer prooi eris, hoe meer er ook wordt opgegeten; met bakjes water en een kraantje eraan, hoe meer water er een in bak zit, hoe hoger de druk is, hoe harder het eruit komt. Zo krijg je dus een relatie in de trant van f' = Cf.
Wat overigens ook wel belangrijk is, en waarin ik een beetje slordig ben geweest, is de notatie je goed eigen maken. (Maar daar heb je wel een boek of dictaat voor.)
[ Bericht 4% gewijzigd door AtraBilis op 07-01-2006 11:41:49 ]
Het is tijd voor wat anders.