微分方程的数学模型

我们这里简单介绍一下微分方程的模型。一个是人口增长的数学模型,一个是弹簧的位移模型。

1,人口增长模型:

根据人口增长理论,人中的增长率与现有人口成比例。如果我们设现有人口为 \(P\),那么人口增长率就是 \(\frac{dP}{dt}\),因为人口增长率就是人口的变化率,我们知道,函数的变化率就是函数的导数。那么,根据这个模型,我们得到了微分方程

\[\frac{}dP{dt}=kP\]

这里,\(k\) 就是那个比例,它是一个常数。

2,弹簧的位移:

如果我们将一个质量为 \(m\) 的物体挂在弹簧的一端,使得弹簧从它的平衡位置拉长 \(x\) 单位,(正数为拉长,负数为压缩),那么根据胡克定律,弹力的大小与位移长度成比例,

\[\vec{F}=-kx\]

这里选取负号,是因为弹力的方向与拉伸的方向相反。这里我们假设没有其它的外力,并且略去一些影响比较小的力,如空气阻力等等。

又根据牛顿第二定律,施加与物体的力等于物体的质量乘以加速度,

\[\vec{F}=m\alpha\]

因为加速度是位移函数的二阶导数,\(\alpha=x^{\prime\prime}\)所以我们得到了弹簧位移的微分方程

\[mx^{\prime\prime}=-kx\]

或者

\[mx^{\prime\prime}+kx=0\]