Diferencialinės lygtys: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 8 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniai Atgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Diferencialinės lygtys

Eksponentinis augimas / mažėjimas: dy/dt = ky → y = y₀e^kt
Pusėjimo trukmė: k = ln 2 / t_½
Niutono aušimo dėsnis: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)e^−kt
Integruojantysis daugiklis: y′ + p(x)y = q(x): μ = e^{∫p dx}, (μy)′ = μq
Maišymo talpa: dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integralai

Laipsnio išvestinė: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Apibrėžtinis integralas: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
Pagrindiniai integralai: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Plotas tarp kreivių: ∫_a^b (f − g) dx

Metodas

Kai įmanoma, pointegralinę funkciją perrašykite kaip paprastų narių sumą.
Taikykite laipsninės funkcijos taisyklę: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), o e^x, 1/x, sin ir cos – lentelinius integralus.
Keitinį naudokite, kai matote funkciją kartu su jos išvestine.
Apibrėžtiniam integralui apskaičiuokite F(b) − F(a).

Išvestinės

Laipsnio išvestinė: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Sandaugos taisyklė: (uv)′ = u′v + uv′
Dalmens išvestinė: (u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Grandinės taisyklė: f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Pagrindinės išvestinės: (eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Metodas

Nustatykite struktūrą: suma, sandauga, dalmuo ar sudėtinė funkcija.
Kiekvienam x laipsniui taikykite laipsninės funkcijos išvestinės taisyklę.
Kur reikia, taikykite sandaugos, dalmens arba sudėtinės funkcijos išvestinės taisyklę.
Suprastinkite ir, jei prašoma, apskaičiuokite reikšmę taške.

Skaitiniai metodai

Pusiaukirta: c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Niutono–Rafsono metodas: x_n+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Tiesinė interpoliacija: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Trapecijų formulė: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2f_n−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Simpsono formulė (n lyginis): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4f_n−1 + fₙ]
Trapecijų paklaidos įvertis: |E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Oileris: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Hoinas: y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Metodas

Šakniai: pusiaukirtai patikrinkite ženklo pokytį, Niutono metodui apskaičiuokite f ir f′, o iteracijų lentelėje palikite šešis ar daugiau skaitmenų.
Lentelės reikšmei: tiesiškai interpoliuokite tarp dviejų gretimų taškų.
Integralui: raskite h = (b − a)/n, išvardykite f kiekviename mazge, pritaikykite svorius (1, 2, …, 2, 1 trapecijų; 1, 4, 2, …, 4, 1 Simpsono, kai n lyginis) ir padauginkite iš h/2 arba h/3.
Diferencialinei lygčiai: žengkite nuo t₀ su yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Oileris) arba vidurkintu nuolydžiu (Hoinas), po eilutę kiekvienam žingsniui, kol pasieksite prašomą t.

2Uždaviniai

1.Diferencialinės lygtysVidutinis

Išspręskite y″ + 5y′ + 4y = 0, kai y(0) = 3 ir y′(0) = -4. Raskite y(2).

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = -4

y(2) =

2.Diferencialinės lygtysSunkus

Išspręskite y″ + 4y′ + 8y = 0, kai y(0) = 5 ir y′(0) = 0 (paleista iš rimties). Raskite y(1); kampai radianais.

y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 5y′(0) = 0

y(1) =

3.IntegralaiVidutinis

Apskaičiuokite I = ∫₀^π/3 x·sin x dx (x radianais).

∫₀^π/3 x·sin x dx

I =

4.IntegralaiSunkus

Raskite srities, apribotos y = x² ir y = x, plotą A.

y = x²y = x

A =

5.IšvestinėsVidutinis

Tegu f(x) = (4x − 3)⁵. Raskite f′(1).

f(x) = (4x − 3)⁵x = 1

f′(1) =

6.IšvestinėsSunkus

Tegu f(x) = x³ − 15x² + 63x + 4. Raskite lokaliojo minimumo x koordinatę x.

f(x) = x³ − 15x² + 63x + 4

x =

7.Skaitiniai metodaiVidutinis

Trapecijų formule, kai n = 4, apytiksliai apskaičiuokite ∫₀¹ x³ dx ir palyginkite su tikslia reikšme. Raskite absoliučiąją paklaidą |E| = |T − I|.

f(x) = x³[a, b] = [0, 1]n = 4

|E| =

8.Skaitiniai metodaiSunkus

Atlikite vieną klasikinio Rungės–Kutos metodo (RK4) žingsnį su h = 0,1, kai y′ = e^−ty, y(0) = 0,5. Raskite y₁ ≈ y(0,1).

y′ = e^−tyy(0) = 0,5h = 0,1

y₁ =

3Tirpalai

1.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: y(2) = 0,361

Antros eilės tiesinės lygtys: lygčiai y″ + b·y′ + c·y = 0 bandykite y = e^rt: gaunama charakteristinė lygtis r² + b·r + c = 0. Dvi skirtingos realiosios šaknys r₁ ≠ r₂ duoda y = A·e^r₁t + B·e^r₂t (viršslopinamas atvejis); dviguba šaknis r duoda y = (A + Bt)·e^rt (kritinis slopinimas); kompleksinės šaknys −α ± jω duoda y = e^−αt(A cos ωt + B sin ωt) (nepakankamas slopinimas, virpesiai). Pradinės vertės y(0) ir y′(0) nustato A ir B. Užrašius y″ + 2ζω_ny′ + ω_n²y = 0, ω_n yra savasis dažnis, o ζ – slopinimo santykis: kai ζ < 1, atsiranda virpesių. Esant pastoviam įėjimui, y″ + by′ + cy = c·K, sprendinys yra nusistovėjusi vertė K plius laisvoji dedamoji.

Charakteristinės šaknys

(r + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4

Konstantos pagal pradines vertes

A + B = 3, −1A − 4B = -4

A = 2,667, B = 0,3333

Apskaičiuokite

y(2) = 2,667·e⁻² + 0,3333·e⁻⁸ = 0,361

Atsakymas

y(2) = 0,361

2.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: y(1) = 0,3337

Kompleksinės šaknys

r = −2 ± 2j

Konstantos

A = 5, B = 2·5/2 = 5

Apskaičiuokite

y(1) = e⁻²(5·cos 2 + 5·sin 2) = 0,3337

Atsakymas

y(1) = 0,3337

3.Integralai

Atsakymas: I = 0,3424

Integravimas dalimis: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, išplaukia iš sandaugos diferencijavimo taisyklės. Kaip u rinkitės dauginamąjį, kuris diferencijuojant tampa paprastesnis (x laipsnį ar ln x), o kaip dv – dauginamąjį, kurį galite suintegruoti (eˣ, sin x, cos x arba x, kai u = ln x). Apibrėžtiniam integralui u·v apskaičiuokite abiejose ribose: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Dauginamajam x² reikia dviejų ciklų.

Pasirinkite u ir dv

u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x

Pirmykštė funkcija

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Ribos

(−π/3·cos π/3 + sin π/3) − (0 + 0) = 0,3424

Atsakymas

I = 0,3424

4.Integralai

Atsakymas: A = 0,1667

Apibrėžtiniai integralai: ∫ₐᵇ f(x) dx – tai ženklą turintis plotas tarp grafiko ir x ašies nuo a iki b. Raskite pirmykštę funkciją F (F′ = f) ir apskaičiuokite F(b) − F(a). Laipsnio taisyklė: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Plotas tarp dviejų kreivių yra ∫(viršutinė − apatinė) dx.

Susikirtimo taškai

x² = x → x = 0, x = 1

Integruokite viršutinę minus apatinę

A = [0,5x² − 0,3333x³]₀¹ = 0,1667

Atsakymas

A = 0,1667

5.Išvestinės

Atsakymas: f′(1) = 20

Diferencijavimas: išvestinė f′(x) – tai grafiko krypties koeficientas taške x. Laipsnio taisyklė: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Sandaugos taisyklė: (uv)′ = u′v + uv′. Grandinės taisyklė: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Kur f′(x) = 0, grafikas turi horizontalią liestinę: maksimumą, minimumą arba balno tašką.

Grandinės taisyklė

f′(x) = 5·(4x − 3)⁴·4

Įstatykite

f′(1) = 5·1⁴·4 = 20

Atsakymas

f′(1) = 20

6.Išvestinės

Atsakymas: x = 7

Išvestinė

f′(x) = 3x² − 30x + 63 = 3·(x² − 10x + 21)

Išspręskite f′(x) = 0

x = 3 arba x = 7

Kuris yra kuris

f″(x) = 6x − 30: neigiama maksimume, teigiama minimume.

f″(3) = −12, f″(7) = 12

x = 7

Atsakymas

x = 7

7.Skaitiniai metodai

Atsakymas: |E| = 0,01563

Skaitinis integravimas: padalykite [a, b] į n juostų, kurių plotis h = (b − a)/n, su mazgais x₀ … xₙ. Trapecijų formulė: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2f_n−1 + fₙ]. Simpsono formulė (n lyginis): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−1 + fₙ]. Trapecijų paklaida mažėja kaip h² (įvertis (b − a)h²·M/12, kur M = max|f″|), Simpsono – kaip h⁴, todėl su tais pačiais mazgais Simpsono formulė paprastai yra gerokai tikslesnė.

Tiksli reikšmė

I = 0,25

Trapecijų formulė

T = (0,25/2)·(0 + 2·0,015625 + 2·0,125 + 2·0,421875 + 1) = 0,265625

Paklaida

|E| = |0,265625 − 0,25| = 0,01563

Atsakymas

|E| = 0,01563

Santykinė paklaida: 6,25 %.

8.Skaitiniai metodai

Atsakymas: y₁ = 0,5972

Skaitinis y′ = f(t, y) sprendimas: Oilerio metodas žengia išilgai nuolydžio kiekvieno žingsnio pradžioje: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Hoino metodas (patobulintas Oilerio) vidurkina nuolydį pradžioje ir Oilerio prognozės taške: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Klasikinis Rungės–Kutos metodas (RK4) sujungia keturis nuolydžius: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Oilerio globalioji paklaida proporcinga h, Hoino – h², RK4 – h⁴.

Keturi nuolydžiai

k₁ = f(0, 0,5) = 1

k₂ = f(0,05, 0,55) = 0,972875

k₃ = f(0,05, 0,548644) = 0,972941

k₄ = f(0,1, 0,597294) = 0,942019

Sujunkite

y₁ = 0,5 + (0,1/6)(1 + 2·0,972875 + 2·0,972941 + 0,942019) = 0,5972

Atsakymas

y₁ = 0,5972

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations