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Equazione differenziale parziale (PDE)

1750
  • Jean le Rond d’Alembert
  • Leonhard Euler
  • Daniel Bernoulli
Discussione storica sulle equazioni differenziali parziali da parte di matematici in un ufficio.

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Un'equazione differenziale parziale (PDE) è un'equazione che impone relazioni tra le varie derivate parziali di una funzione multivariabile. La funzione è spesso chiamata incognita e una PDE descrive una relazione tra questa funzione incognita e le sue derivate. A differenza delle equazioni differenziali ordinarie (ODE), che riguardano funzioni di una sola variabile, le PDE sono fondamentali per modellare sistemi multidimensionali.

A partial differential equation (PDE) for a function [latex]u(x_1, dots, x_n)[/latex] is an equation of the form [latex]F(x_1, dots, x_n, u, frac{partial u}{partial x_1}, dots, frac{partial u}{partial x_n}, frac{partial^2 u}{partial x_1 partial x_1}, dots) = 0[/latex]. This formulation expresses a relationship between an unknown function [latex]u[/latex] of several independent variables and its partial derivatives. The ‘order’ of the PDE is determined by the highest-order derivative present in the equation. For instance, an equation containing a second derivative but no higher is a second-order PDE.

PDEs are classified based on properties that help determine the nature of their solutions. A key classification is linearity. A PDE is ‘linear’ if it is linear in the unknown function and all its derivatives. For example, [latex]a(x,y)u_{xx} + b(x,y)u_{yy} = f(x,y)[/latex] is linear. If the coefficients depend on [latex]u[/latex] or its derivatives, the equation becomes nonlinear. Nonlinear PDEs are notoriously difficult to solve and often exhibit complex behaviors like shock waves or solitons.

The study of PDEs is a vast branch of mathematics, crucial for modeling phenomena across science and engineering. Finding a ‘solution’ means identifying a function that satisfies the equation, often subject to specific boundary or initial conditions that constrain the problem to a unique physical situation. The development of methods to find and analyze these solutions, both analytically and numerically, has been a central theme in mathematics since the 18th century.

UNESCO Nomenclature: 1102
- Analisi

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • development of calculus by newton and leibniz
  • formulation of ordinary differential equations (odes)
  • introduction of partial derivatives by euler and d’alembert
  • newton’s laws of motion and universal gravitation

Applicazioni

  • fluid dynamics (navier-stokes equations)
  • electromagnetism (maxwell’s equations)
  • quantum mechanics (schrödinger equation)
  • general relativity (einstein field equations)
  • financial modeling (black-scholes equation)

Brevetti:

NA

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