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微分方程与预报

已有 3753 次阅读 2013-4-25 13:41 |个人分类:思考|系统分类:科研笔记| 预报, 微分方程

      学习高等数学和普通物理的时候,一些解的唯一性定理是最吸引我的内容之一。根据这些定理,对于一定的初始条件和边界条件,只要得到了一个解,就无须再寻找其他解了。这就给工作带来了方便,节省了精力。解的唯一性基本是建立在微分方程基础上的。比如,简单地说,对于一个一阶常微分方程,确定了初值就确定了物理量后来的演化。对于有限阶的微分方程,只要能获得足够多关于初值和边值的信息,就可以对物理量进行预测。
      物理学中最神奇的事情就是,几乎所有物理规律都是由二阶及二阶以下的微分方程描述的。所以原则上只要我们能精确了解初始条件和边界条件,物理量随后的演化规律都是可以知道的,也就是说是“可以预报的”。
      然而,有一些因素使得我们的预报能力是有限的。首先,对于量子系统,微分方程描述的只是概率幅,所以我们能预测的只是概率幅,而具体的物理量不一定可以精确预测。其次,我们无法精确地了解初始条件和边界条件,所以,即使对于经典物理中的物理量,在长期的情况下,我们也不能精确预测。所谓的“蝴蝶效应”就反映了这个情况。但是,需要再次强调的是,如果我们能精确了解初始条件和边界条件,我们是可以对物理量进行预测的。而且,虽然我们不能精确了解初始条件和边界条件,但是我们也可以在一定时标能对物理量在一定精度范围内进行预测。这就是为什么,虽然有“蝴蝶效应”,我们还是可以对两周内的天气情况进行粗略的预报。
      所以,对于由微分方程描述的物理世界,如果我们能对系统有足够的了解,那么我们就可以在一定时标内、一定精度范围内对系统的行为进行预测。既然可以粗略预报两周内的天气,那么就没有理由认为地震是不可预报的、太阳活动是不可预报的、小行星撞击地球是不可预报的。问题仅在于,可预报的时标是多少?预报的精度是多少?



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