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| 微分方程 |
微分方程论是数学的重要分支之一。大致和微积分同时产生，并随实际需要而发展。
概念编辑本段回目录
常微分方程与偏微分方程的总称。含自变量、未知函数和它的微商（或偏微商）的方程称为常（或偏）微分方程。未知函数为一元函数的微分方程，称为常微分方程。未知函数为多元函，从而出现多元函数的偏导数的方程，称为偏微分方程。
来源历史编辑本段回目录
微分方程研究的来源：它的研究来源极广，历史久远。I.牛顿和G.W.莱布尼茨创造微分和积分运算时，指出了它们的互逆性，事实上这是解决了最简单的微分方程 y┡=?(x)的求解问题。当人们用微积分学去研究几何学、力学、物理学所提出的问题时，微分方程就大量地涌现出来。
20世纪以来，随着大量的边缘科学诸如电磁流体力学、化学流体力学、动力气象学、海洋动力学、地下水动力学等等的产生和发展，也出现不少新型的微分方程（特别是方程组）。70年代随着数学向化学和生物学的渗透，出现了大量的反应扩散方程。
从“求通解”到“求解定解问题” 数学家们首先发现微分方程有无穷个解。常微分方程的解会含有一个或多个任意常数，其个数就是方程的阶数。偏微分方程的解会含有一个或多个任意函数，其个数随方程的阶数而定。命方程的解含有的任意元素（即任意常数或任意函数）作尽可能的变化，人们就可能得到方程所有的解，于是数学家就把这种含有任意元素的解称为“通解”。在很长一段时间里，人们致力于“求通解”。但是以下三种原因使得这种“求通解”的努力，逐渐被放弃。 第一，能求得通解的方程显然是很少的。在常微分方程方面，一阶方程中可求得通解的，除了线性方程、可分离变量方程和用特殊方法变成这两种方程的方程之外，为数是很小的。如果把求通解看作求微商及消去法的某一类逆运算，那么，也和熟知的逆运算一样，它是带试探性而没有一定的规则的，甚至有时是不可能的（J.刘维尔首先证明黎卡提方程不可能求出通解），何况这种通解也是随着其自由度的增多而增加其求解的难度的。第二，当人们要明确通解的意义的时候（在19世纪初叶分析奠基时期显然会考虑到此问题）就会碰到严重的含糊不清之处，达布在他的教学中经常提醒大家注意这些困难。这主要发生在偏微分方程的研究中。
第三，微分方程在物理学、力学中的重要应用，不在于求方程的任一解，而是求得满足某些补充条件的解。A.-L.柯西认为这是放弃“求通解”的最重要的和决定性的原因。这些补充条件即定解条件。求方程满足定解条件的解，称之为求解定解问题。
早期由于外弹道学的需要，以及40年代由于高速气动力学研究激波的需要，拟线性一阶双曲组的间断解的研究更得到了重大发展，苏联和美国学者作出了贡献。泛函分析和偏微分方程间的相互联系,相互促进发展,首先应归功于法、波、苏等国学者的努力。
中华人民共和国建立后，微分方程得到了重视和发展。培养了许多优秀的微分方程的工作者，在常微分方程稳定性、极限环、结构稳定性等方面做出了很多有水平的结果；在偏微分方程混合型刻画渗流问题的拟线性退缩抛物型、椭圆组和拟线性双曲组的间断解等方面做出了很多有水平的结果。
应用编辑本段回目录
平面二次曲线方程含有五个参数，两端对x求五次微商，连同原方程共得六个方程,消去参数就得到微分方程
。 (1)
(2)
变分学中令积分取极值的必要条件欧拉方程一般是非线性微分方程（或组）。
刚体力学的基本方程就是一个微分方程组。流体力学的基本方程就是所谓纳维-斯托克斯方程，弹性力学的方程一般是高阶方程。电磁学提出了著名的拉普拉斯方程
，光学和声学提出了波动方程
，热学提出了热传导方程
，量子力学中提出了薛定谔方程
。 发展过程编辑本段回目录
定解问题的定义和要求 方程（或称泛定方程）
至于定解条件当xm=0时
则是在Rm中(m-1)维流形xm=0上被满足的。这时，xm=0就称为支柱。xm=0有时是Ωm中的一个(m-1)维流形，有时就是Ωm的边界дΩm或дΩm的一部分。所谓当xm=0时有，就是在Ωm 内当xm＝0附近任一点沿任一曲线趋近于xm＝0上任一点(x嬼，x嬽,…,x圛)时,u趋近于u0(x嬼,x嬽,…,x圛)。在这种理解下,P.班勒卫指出了这时u0(x1,x2,…,xm-1)应是连续的。定解条件 当xm=0时，
，
的极限。二是把它看作
当 xm趋近于0时的极限。显然，若第二种理解成立则第一种理解必然成立。反之则不尽然。
应该指出，也可以用
或 
，
或更一般地用 Rm中任何一个(m-1)维流形来代替xm=0，它们这时也都被称为支柱。对函数取值和微商取值若要作上述理解，还需对支柱作必要的正规要求，例如支柱至少是一个若尔当流形等等。
由于一阶常微分方程的一般形式是F(x,y,y┡)=0，要应用柯西定理，就必需应用隐函数理论解出y┡。在不满足隐函数定理的条件的情况，常常就是产生奇解的情况。克莱罗方程就是一个最简单的例子。定解问题研究的开展，大大帮助了对奇解的了解。
柯西提出定解问题的时代也是复变函数论开始蓬勃发展的时代，“两个实域真理间的最短途径时常是通过一个复真理的”影响，这是当时特别流行的说法，复域里常微分方程理论（即复解析理论）得到了发展。从推广柯西定理的布里奥-布凯定理，从（J.-）H.庞加莱的工作到班勒卫、J.马尔姆奎斯特等人的工作，最引人注目的是在线性方程方面，从I.L.富克斯的结果开始一直到庞加莱的自守函数理论已很完整。但是在非线性方面显然没有取得如此令人满意的成果，其原因可能是多复变函数的奇点理论和解析开拓尚有待发展。
二阶常微分方程的柯西问题
(D1)： 
在柯西的倡导下，人们从“求通解”的时代进入了“求解定解问题”的时代,随着庞加莱的定性理论,常微分方程又从“求解定解问题”的时代进入“求所有解”的时代。
稍后，D.伯克霍夫在动力系统方面开辟了一个新领域。近年来，由于拓扑方法的渗入，更加得到发展。苏联Α.М.李亚普诺夫在运动稳定性方面的工作,对天文学、物理学以及工程技术有广泛应用，极受重视。
此外，在考虑时滞问题时，人们还创立了差分微分方程。近年来，泛函微分方程有很大发展。泛函微分方程是差分微分方程的推广。
柯西曾把他有关常微分方程方面的结果推广到一阶偏微分方程组的柯西问题，但他在偏微分方程中所考虑的方程并没有象在常微分方程中所考虑的方程那样有代表性。因此，后来又引进了模组的概念，柯西和稍后的С.Β.柯瓦列夫斯卡娅都用长函数法证明了模组柯西问题的解析解是惟一存在的。模的概念显然依赖于支柱。从而引入了特征的概念。应特别注意，有些组的特征表达式A能恒等于零，其中有些方程组是比较重要的，例如方程(2)就是这样的,广义相对论的基本方程组也是这样的。
20世纪初才由E.霍姆格伦在方程是非重特征的、系数是解析的、支柱是解析的而非特征的条件下，证明了解的惟一性。阿达马指出，只要能在方程是非重特征的、系数是非解析的、支柱是非特征的条件下证明霍姆格伦定理，则该定理在方程是非重特征的、非线性的、非解析的、支柱是非特征的条件下仍是正确的。至于连续依赖性则并不成立，阿达马的著名例子
阿达马分析了他以前和当时的有关线性二阶偏微分方程的工作，紧紧抓住“形式相似的方程却有迥然不同的适定问题”这个矛盾，反复论证，终于发现了长期未被注意的事实，即柯西-柯瓦列夫斯卡娅定理在方程、支柱和数据有一非解析时是不真的。例如Δu=0在支柱z=0的柯西问题在数据不都是解析时未必是有解的。诚然，双侧的解（即z≤0和z≥0时都存在的解）不存在，因为根据杜恩定理，若存在，则两个数据必然都是解析的。单侧的解也不存在,因为否则用照像法(实际上是一种解析开拓)，则双侧解也将存在，但解析方程
，解析支柱 t=0、非解析数据的柯西问题却是实际中提出的,理论证明是适定的。 阿达马提出了基本解。这不仅是他对前人工作的总结，而且从他本人以前的成就也必然得到这个重要概念。有了基本解，模双曲型方程的柯西问题的解,只要支柱是空向的,已给数据适当正规，就可以用一个发散积分的有限部分来表示；椭圆型方程就可以形成势代表解，并通过这个势满足的弗雷德霍尔姆型积分方程求得狄里克雷问题的解。间接地求抛物型方程的基本解的步骤也是阿达马提出来的。他有一句名言：“所有线性偏微分方程问题应该并且可以用基本解来解决。”
在V.沃尔泰拉暗示下，G.F.特里科米进行了混合型方程的所谓特里科米问题的研究。所谓混合型方程，是指在蜕型线L一侧是椭圆型，在另一侧是双曲型的方程；1927年特里科米证明了解的存在性。虽然苏联学者C.A.洽普雷金在V.沃尔泰拉之前已在射流理论中提出更一般的混合型方程即洽普雷金方程，但只有在40年代由于超音速飞机的制造，在跨音速气动力学中这类方程才大受重视。M.H.普罗特尔证明了洽普雷金方程特里科米问题的解的惟一性，苏联学者A.B.比察泽也在这方面做了大量有意义的工作。由于渗流的研究，促进了拟线性退缩抛物型方程的研究发展，苏联学者为此作出了贡献。
发展中产生的问题编辑本段回目录
一个方程或方程组的定解问题一旦提出，就产生下列三个问题。
①存在性问题，即这个定解问题是否有解。
②惟一性问题,即其解是否惟一。
③连续依赖性问题,即解是否连续依赖于数据，亦即是否是数据的某阶连续泛函。
若定解问题的解是存在的、惟一的、连续依赖于数据的，则这个定解问题称为适定的。对它就可以进行计算。一般而言，只有适定问题计算才有意义。这样，微分方程的研究成果才能为实际所应用。
如果对上述三个问题的回答有一个是否定的，这个定解问题就称为不适定的。一般，不适定问题是原来用来刻画实际规律的数学模型不恰当，必须另建合适的数学模型。不适定问题也是需要研究的，这种研究有时会导致理论上的新发展。
定解问题研究的发展 对常微分方程最早提出的定解问题是柯西问题(C)： 
柯西问题(C)是适定的，其根据是柯西定理：若?(x,y)在｜x-x0｜≤α,｜y-y0｜≤b上连续，并满足李普希茨条件
，则柯西问题(C)在满足条件
下,存在惟一的连续依赖于y0的连续解。由于泛定方程的任一解当x=x0时总要取一个值y0,因此就可以提出柯西问题(C)。由于惟一性，这个柯西问题的解一定就是所考虑的解,所以柯西问题(C)的解就是泛定方程的“通解”。
柯西利用L.欧拉早就提出的近似解法（所谓欧拉折线法）证明了当折线边数无限增加、边长无限缩小时，这些折线有一极限即(C)的惟一连续依赖于y0的解。这个方法称为柯西-李普希茨方法。若取消李普希茨条件,则用阿尔泽拉定理仍能证明解的存在性，但不能证明惟一性和连续依赖性。可见李普希茨条件的作用只在于保证解的惟一性。逐次逼近法导源于代数方程近似解法，刘维尔首先把它用于解沃尔泰拉积分方程,(C.-)?.皮卡才把它广泛应用于解常微分方程柯西问题(C)上,首先把柯西问题变为非线性沃尔泰拉积分方程，然后用逐次逼近法求解，结果完全和欧拉折线法的一样。
参考文献编辑本段回目录
J.Hadamard,Le Probléme de cauchy et les Equations αux Dérivées partielles Lineairs Hyperboliques,Hermann,Paris,1932.
J.Hadamard，la Theorie des Equatiens αux Dérivées partielles, Editions des Sciences，Beijing,1964.
