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Partial Derivatives and Gradients

Modeling Waves with Space and Time

Description

Partial differential equations help describe waves that change across both space and time. A stone dropped into a still pond creates circular waves that spread outward. The water surface rises and falls at each point as the wave passes, while the shape of the surface also changes across the pond at any fixed moment.

Transcript

想象一块石头被扔进平静的池塘;波纹以圆形图案向外扩散。

为了描述这种运动,必须研究水位高程如何依赖于两个变量:时间和空间。

在池塘的任意一点,随着时间的推移,水位会上升和下降。这种运动涉及该点处波的加速度,由对时间的二阶导数给出。

如果系统仅随一个变量(例如时间)变化,则使用普通导数即可。

但它也随距离而变化。在任一固定时刻,水面形成平滑的曲线波;该点处的空间曲率由对空间的二阶导数给出。

其目的是同时观察时间和空间。偏微分方程通过使用偏导数,将时间与空间中的变化关联起来,描述当多个变量共同作用时系统如何演化。

偏微分方程将多个变量(如时间与空间)关联起来,使我们能够描述当这些变量相互作用时系统如何变化和表现。