微分几何初步理解

解微分方程,很多时候都不好求解,但是从几何的角度就很容易解释,虽然可能不能得到精确的表达式,但是从几何的角度很容易得到解方程的性质。

比如说:$y^{‘}=1+x-y$这个方程看起来简单但是不好求解,但是我们可以从几何的角度解释。

$f(x, y) = 1+x-y$表示一个方向场,在每一个点都有一个方向,或者说斜率,而$y^{‘}$表示的是解函数(我们假设解为$y_1(x)$)的斜率,所以解函数就是,斜率和方向场相同的曲线,或者叫做,积分曲线。

要证明微分方程的解就是方向场的积分曲线也可以简单说明下。

  • 首先微分方程的解肯定是满足微分方程的。
  • 也就是说,满足微分方程的函数就是微分方程的解。
  • 另一方面,方向场的积分曲线斜率都是和解函数的斜率一样的。

下面我们就来画画这个方向场和积分。

  • 计算机在画方向场的时候,
    • 取一个点$(x, y)$,
    • 计算$f(x, y)$,
    • 画图
  • 人在画方向场的时候,是和计算机不一样的,
    • 去一个方向,$f(x, y) = C$,然后画出$x, y$曲线,并标上方向,这样的线,叫做等斜线。
    • 然后更换C,画出其他所有的等值线。这样一来,速度就块多了。

所以,我们继续看这个例子。

$$ f(x, y)=1+x-y = C , y = x+1-c, $$

如图,是$C\in [-4:6:2]$,箭头表示此处的方向场,也就是$C$,$C$代表的是斜率。所以,每一条直线又叫做等斜线。

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我们把线画得更多一点)

积分曲线就是沿着一个方向的曲线。