bilim.techО проекте

Поле направлений

Как понять, куда пойдет решение, не решая уравнение? Черточки показывают наклон в каждой точке, а щелчок запускает решение, которое послушно идет вдоль них.

01 Что это такое

Поле направлений рисует уравнение целиком: в каждой точке черточка показывает, куда пойдет решение.

Уравнение dy/dx = f(x, y) не дает формулу для y. Оно дает наклон: если решение оказалось в точке (x, y), дальше оно идет с наклоном f(x, y). Посчитаем наклон в сотне точек и нарисуем короткие черточки. Получится картинка, похожая на железные опилки около магнита. Любое решение идет вдоль черточек, как лодка по течению. По картинке сразу видно, куда все стремится, где равновесие и устойчиво ли оно, а формулу решения для этого искать не нужно.

предел y = 4: устойчивоy = 0: решения уходятвремя tвеличина y
Логистический рост dy/dt = 0,8 · y · (1 − y / 4). Черточки построены по уравнению, а три кривые просто следуют за ними и все приходят к одному уровню.
f(x, y)
Правая часть уравнения. Правило, которое по точке (x, y) дает наклон решения в ней.
(x₀, y₀)
Начальное условие. Точка, через которую проходит решение. Из каждой точки выходит ровно одно решение.
y*
Равновесие. Постоянное решение, на котором f = 0. Устойчивое притягивает соседние решения, неустойчивое отталкивает.
02 Опыт
Щелкни в любом месте поля. Из этой точки вырастет решение и пойдет вдоль черточек. РЕШЕНИЕ ШАГАМИ РУНГЕ-КУТТА
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Куда пойдет решение, если его не решать?

Рис. 5.2
dy/dx =
Наклон в точке f(x₀, y₀)
Куда приходит решение
Равновесие

ⓘ Решения строятся методом Рунге-Кутта с мелким шагом, ошибка меньше толщины линии. Как такие методы устроены, показано в теме «Метод Эйлера».

03 Формулы по буквам

Наклон, изоклина и равновесие

Уравнение задает наклон в каждой точке. Изоклины помогают нарисовать поле от руки. Равновесия и их устойчивость отвечают на главный вопрос: чем все кончится. Под каждой формулой числа из опыта.

Куда идет решение из этой точки?

dy/dx = f(x, y)

Подставь координаты точки в правую часть и получишь наклон решения в ней. Это и есть черточка поля. Решение это кривая, которая в каждой своей точке касается черточки.

dy/dx
наклон касательной к решению
f(x, y)
правило, которое дает этот наклон по точке
y(x₀) = y₀
начальное условие: из какой точки стартуем

Как нарисовать поле быстро?

f(x, y) = c

Изоклина, по-гречески «одинаковый наклон», это линия, на которой все черточки параллельны. Нарисуй несколько изоклин для c = −1, 0, 1, 2 и поставь на каждой черточки нужного наклона. Поле готово.

c
постоянный наклон на этой изоклине
c = 0
черточки горизонтальны: решения здесь достигают максимума или минимума
c > 0
решения пересекают изоклину, поднимаясь

Чем все закончится?

f(y*) = 0

Если наклон зависит только от y, то при f(y*) = 0 решение y = y* стоит на месте. Это равновесие. Посмотри на знак f рядом: если ниже y* наклон положительный, а выше отрицательный, решения со всех сторон сходятся к y*. Равновесие устойчиво.

y*
равновесное значение, корень уравнения f = 0
f′(y*) < 0
устойчиво: небольшое отклонение гаснет
f′(y*) > 0
неустойчиво: отклонение растет, как у шарика на вершине холма

Откуда берутся поле и изоклины

Производная это наклон касательной, как в теме «Производная». Уравнение dy/dx = f(x, y) говорит: наклон касательной к решению в точке (x, y) равен f(x, y). Значит, касательную можно нарисовать в любой точке плоскости еще до того, как найдено решение. Короткий кусок касательной и есть черточка поля.

Возьмем dy/dx = x − y. На прямой y = x наклон 0, на прямой y = x − 1 наклон 1, на прямой y = x − 2 наклон 2. Каждая изоклина это прямая y = x − c. Изоклина c = 1 особенная: наклон ее черточек 1 совпадает с наклоном самой прямой. Значит, она сама решение, и соседние решения прижимаются к ней. Точный ответ это подтверждает: y = x − 1 + C · e−x, и экспонента со временем гаснет.

Для уравнений вида dy/dt = f(y), где время не входит явно, все еще проще. Изоклины горизонтальны, а для устойчивости хватает знака f выше и ниже равновесия. Так работает уравнение остывания из темы «Рост и распад»: равновесие y = yокр устойчиво.

c = −1c = 0c = 1: сама решениеc = 2
dy/dx = x − y. На каждой изоклине черточки параллельны. Черное решение прижимается к изоклине c = 1.
04 Где и зачем это применяют

Там, где важно, куда система придет, а не точная кривая

Допущения модели+

Функция f гладкая, поэтому через каждую точку проходит ровно одно решение и решения не пересекаются. Поле дает качественную картину: направление, равновесия, устойчивость. Точные числа дает численный метод, которым здесь и построены кривые. Изоклины в опыте найдены по сетке, у самых краев поля они могут обрываться. В уравнении y′ = y решения при росте быстро уходят за край поля: это не ошибка, а настоящая экспонента.

Еще в направлении «Математика»

Все темы направления «Математика» →