¿Es posible predecir las propiedades de las soluciones de ecuaciones diferenciales sin resolverlo realmente?

Si, de hecho!

Es posible obtener mucha información sobre el comportamiento cualitativo sin resolver las ecuaciones. Una herramienta muy útil es el retrato de fase: Wikipedia. Esto se usa, por ejemplo, para analizar las ecuaciones de Lotka-Volterra. Este es un sistema bastante simple, que no tiene una solución de forma cerrada. Sin embargo, es posible demostrar que todas las soluciones son periódicas. Ese es ciertamente un resultado no trivial.

En el otro extremo, tenemos la teoría ergódica, que se utiliza para estudiar el movimiento de muchas partículas, por ejemplo, un gas. El resultado principal es que, bajo ciertas condiciones, la teoría predice que cualquier trayectoria se acercará arbitrariamente a todos los puntos en el espacio de fase. Esto es útil para predecir promedios, por ejemplo, la energía cinética promedio de una molécula de gas, que es la base de la física estadística y la termodinámica.

Luego está el estudio de la teoría de sistemas dinámicos. Uno (de muchos) aspectos es determinar la ubicación de los puntos estacionarios y predecir si son estables o no. Esto también se puede hacer sin una solución explícita del sistema.

Hay muchas más técnicas, pero la mayoría son algo ad-hoc, es decir, específicamente desarrolladas para un sistema dinámico particular.

Claro que lo es.

Y de hecho, muchos matemáticos; incluso Euler resolvió muchos problemas previamente no resueltos por intuición hace 450 años. Luego, convirtieron esa intuición en un lenguaje natural de signos, símbolos, números y letras griegas. Pero, no hablemos de eso y veamos un ejemplo simple.

¿Ves este péndulo? Si le pregunto por qué función matemática está oscilando, entonces esto es lo que su cerebro pensaría:

Bueno, el movimiento se repite alrededor de un punto armónicamente. Y solo sé 2 funciones armónicas en este momento. Eso es seno y coseno. Entonces, la respuesta debe ser seno y coseno.

¡Y tienes razón! La ecuación de movimiento del péndulo simple se rige por esta ecuación:

Y su solución es una combinación lineal de senos y cosenos.

x = A cos (wt) + B sin (wt)

Resolviste una ecuación diferencial ordinaria de segundo orden con solo intuición.


Pero, ¿qué pasa si no puedes tener una intuición?

Luego pasamos a lo básico. Sabemos que la ecuación diferencial es en realidad solo una ecuación de diferencia. Eso significa que estoy descubriendo cómo está cambiando Y si estoy cambiando el valor de X y lo representamos como

Y eso es esencialmente una ecuación de pendiente. Entonces, lo que haces es; trazar esta ecuación diferencial (¡no la solución!), es decir, trazar la pregunta en un papel cuadriculado con pequeñas pendientes llamadas ‘Isoclina’ en todos los puntos.

Hagamos un ejemplo rápido.

Aquí hay un problema que quieres resolver sin resolver la ecuación diferencial.

(dY / dX) = (-X / Y) = C

Entonces, Y = (-1 / C) * X.

Ahora, ponga diferentes valores de C en la ecuación anterior.

Digamos que C es -1 (rojo), es decir, Y = X. Dibuje pequeños segmentos de línea (como se muestra en rojo) desde cada punto en el plano que representa X = Y. Del mismo modo, supongamos que ahora C es 1 (verde), es decir, Y = -X. Entonces, dibuje pequeños segmentos de línea verde que representen Y = -X. Haga lo mismo para tantos valores de C como desee para obtener un resultado preciso.

Ahora, dibujamos pequeñas líneas perpendiculares llamadas Isoclina a todas estas líneas.

Simplemente conecte todas estas isoclinas negras dibujando tangentes lo más cerca que pueda. Y esa es tu solución.

Entonces, los círculos azules son sus soluciones a su ecuación diferencial.

Ahora, regrese a la ecuación;

(dY / dX) = – (X / Y)
y resuélvelo para ver si obtienes una respuesta de la ecuación del círculo X ^ 2 + Y ^ 2 = C ^ 2 o no.

Ahí. Resolviste una ecuación diferencial sin resolver realmente la ecuación. Pero, este es un caso simple.


¿Qué pasa si tienes una ecuación diferencial no lineal? No será fácil trazar gráficos de isoclina para ellos, pero la teoría sigue siendo la misma y puedes hacerlo.

¿Qué pasa si tienes una ecuación diferencial parcial? Bueno, eso pasa de trazar una trama en un plano 2D a trazar una superficie. ¿Qué pasa si es un PDE de 3 o más variables? Bueno, simplemente entras en la cuarta, quinta, … enésima dimensión mediante esquemas de codificación de colores para visualizar diferentes dimensiones.

El punto es; Si puedes hacerlo . Pero, esa es claramente una tarea difícil / imposible para mentes estúpidas como nosotros. En su lugar, usamos computadoras para soluciones numéricas. Eso es más fácil, más barato, más rápido y más preciso que cometer errores a mano.


Gracias por A2A Quora User y Mansi Sharma.


Nota: Echa un vistazo a la respuesta de Michael Jørgensen en este hilo para obtener una mejor visión al respecto.