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″ + 8y′ + 15y = 0, kai y(0) = 3 ir y′(0) = -4. Raskite y(0,5).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 3y′(0) = -4

y(0.5) =

2.Diferencialinės lygtysSunkus

Išspręskite y′ + 0,5y = 10e^−t su y(0) = 1. Raskite y(1,5).

y′ + 0,5y = 10e^−ty(0) = 1

y(1.5) =

3.IntegralaiVidutinis

Apskaičiuokite I = ∫₂¹⁰ 5/x dx.

f(x) = 5/x[2, 10]

I =

4.IntegralaiSunkus

Raskite srities, apribotos y = 2x² ir y = x, plotą A.

y = 2x²y = x

A =

5.IšvestinėsVidutinis

Tegu f(x) = x³·e^−x. Raskite f′(0,5).

f(x) = x³·e^−xx = 0,5

f′(0.5) =

6.IšvestinėsSunkus

Tegu f(x) = x³ + 3x² − 9x + 3. Raskite lokaliojo minimumo x koordinatę x.

f(x) = x³ + 3x² − 9x + 3

x =

7.Skaitiniai metodaiVidutinis

Simpsono formule su n = 6 juostų apytiksliai apskaičiuokite ∫₀² e^−x² dx. Pateikite S.

f(x) = e^−x²[a, b] = [0, 2]n = 6

S =

8.Skaitiniai metodaiSunkus

Išspręskite y′ = y − t², y(0) = 1 Oilerio metodu su žingsniu h = 0,5 iki t = 2,5. Tikslus sprendinys yra y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Raskite globaliąją paklaidą |E| = |y(2,5) − y₅|.

y′ = y − t²y(0) = 1h = 0,5

|E| =

3Tirpalai

1.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: y(0.5) = 1,022

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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

Konstantos pagal pradines vertes

A + B = 3, −3A − 5B = -4

A = 5,5, B = −2,5

Apskaičiuokite

y(0,5) = 5,5·e^−1,5 + (−2,5)·e^−2,5 = 1,022

Atsakymas

y(0,5) = 1,022

2.Diferencialinės lygtys

Atsakymas: y(1.5) = 5,457

Pirmos eilės diferencialinės lygtys: lygties dy/dt = k·y sprendinys yra y = y₀·e^kt (augimas, kai k > 0, mažėjimas, kai k < 0); pusėjimo trukmė T duoda k = ln 2/T. Niutono aušimo dėsnis dT/dt = −k·(T − Tₐ) duoda T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e^−kt. Tiesinė lygtis y′ + p(x)·y = q(x) sprendžiama su integruojančiuoju daugikliu μ = e^{∫p dx}: (μy)′ = μq, todėl μy = ∫μq dx + C.

Integruojantysis daugiklis

μ = e^0,5t

(e^0,5ty)′ = 10e^−0,5t

Bendrasis sprendinys

y = 10/(−0,5)·e^−t + C·e^−0,5t = −20·e^−t + C·e^−0,5t

Pradinė sąlyga

1 = −20 + C → C = 21

Apskaičiuokite

y(1,5) = −20·0,2231 + 21·0,4724 = 5,457

Atsakymas

y(1,5) = 5,457

3.Integralai

Atsakymas: I = 8,047

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.

Pirmykštė funkcija

F(x) = 5·ln x

Įstatykite rėžius

I = 5·(ln 10 − ln 2) = 5·ln 5 = 8,047

Atsakymas

I = 8,047

4.Integralai

Atsakymas: A = 0,04167

Susikirtimo taškai

2x² = x → x = 0, x = 0,5

Integruokite viršutinę minus apatinę

A = [0,5x² − 0,6667x³]₀^0,5 = 0,04167

Atsakymas

A = 0,04167

5.Išvestinės

Atsakymas: f′(0.5) = 0,3791

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.

Sandaugos taisyklė

f′(x) = u′v + uv′ = e^−x·(3x² + (−1)·x³)

Įstatykite

f′(0,5) = 0,6065·(0,75 + (−0,125)) = 0,3791

Atsakymas

f′(0,5) = 0,3791

6.Išvestinės

Atsakymas: x = 1

Išvestinė

f′(x) = 3x² + 6x − 9 = 3·(x² + 2x − 3)

Išspręskite f′(x) = 0

x = −3 arba x = 1

Kuris yra kuris

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

f″(−3) = −12, f″(1) = 12

x = 1

Atsakymas

x = 1

7.Skaitiniai metodai

Atsakymas: S = 0,882

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.

Mazgai ir reikšmės

h = 0,3333

Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,894839 + 2·0,64118 + 4·0,367879 + 2·0,169013 + 4·0,0621765 + 0,0183156 = 7,938284

Simpsono formulė

S = (0,3333/3)·7,938284 = 0,882

Atsakymas

S = 0,882

Šis integralas neturi elementariosios pirmykštės funkcijos, būtent tada ir reikia skaitinio metodo.

8.Skaitiniai metodai

Atsakymas: |E| = 1,292

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.

Oilerio žingsniai

y₅ = 2,359375

Tiksli reikšmė

y(2,5) = 1,067506

Globalioji paklaida

|E| = |1,067506 − 2,359375| = 1,292

Grafikas

Atsakymas

|E| = 1,292

Perpus sumažinus h, Oilerio metodo paklaida sumažėja maždaug perpus.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations