Persamaan Pembezaan: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 8 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Persamaan pembezaan

Pertumbuhan/pereputan eksponen
dy/dt = ky → y = y0ekt
Separuh hayat
k = ln 2 / t½
Hukum penyejukan Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Faktor pengamiran
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Tangki pencampuran
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Kamiran

Petua kuasa
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Kamiran tentu
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Kamiran lazim
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Luas antara lengkung
∫ab (f − g) dx

Kaedah

  1. Tulis semula kamiran sebagai hasil tambah sebutan ringkas jika boleh.
  2. Gunakan petua kuasa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), dan kamiran piawai untuk ex, 1/x, sin dan cos.
  3. Gunakan penggantian apabila anda melihat satu fungsi dan terbitannya bersama.
  4. Untuk kamiran tentu, nilaikan F(b) − F(a).

Terbitan

Petua kuasa
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Petua hasil darab
(uv)′ = u′v + uv′
Petua hasil bahagi
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Petua rantai
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Terbitan lazim
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Kaedah

  1. Kenal pasti strukturnya: hasil tambah, hasil darab, hasil bahagi atau gubahan.
  2. Gunakan petua kuasa pada setiap kuasa x.
  3. Gunakan petua hasil darab, hasil bahagi atau rantai di mana perlu.
  4. Permudahkan, dan nilaikan pada titik itu jika diminta.

Kaedah berangka

Pembahagi dua
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolasi linear
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Petua trapezium
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Petua Simpson (n genap)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Had ralat trapezium
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Kaedah

  1. Untuk punca: semak perubahan tanda untuk pembahagi dua, atau hitung f dan f′ untuk Newton, dan simpan enam digit atau lebih dalam jadual lelaran.
  2. Untuk nilai jadual: interpolasi secara linear antara dua titik jiran.
  3. Untuk kamiran: cari h = (b − a)/n, senaraikan f pada setiap nod, gunakan pemberat (1, 2, …, 2, 1 untuk trapezium; 1, 4, 2, …, 4, 1 untuk Simpson dengan n genap) dan darab dengan h/2 atau h/3.
  4. Untuk PPB: melangkah dari t₀ dengan yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) atau cerun purata (Heun), satu baris bagi setiap langkah, sehingga anda sampai ke t yang diminta.

2Soalan latihan

1.Persamaan pembezaanSederhana
t (min)T (°C)30Ta​20 °C72 °C

Secawan kopi pada 94 °C ditinggalkan di dalam bilik pada 18 °C. Selepas 30 min suhunya ialah 20 °C. Ia mengikut hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Berapa lama selepas permulaan, t, untuk mencapai 72 °C?

T0 = 94 °CTa = 18 °CT(30) = 20 °CT = 72 °C
t = min
2.Persamaan pembezaanSukar
tyK = 5y(0.5) = ?

Satu sistem mematuhi y″ + y′ + 25.25y = 126.3 untuk t ≥ 0, bermula dari pegun: y(0) = 0, y′(0) = 0. Cari y(0.5); sudut dalam radian.

y″ + y′ + 25.25y = 126.3y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.KamiranSederhana
xyπ/2y = x·cos x

Nilaikan I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x dalam radian).

∫₀π/2 x·cos x dx
I =
4.KamiranSukar
xyy = x2​y = x

Cari luas A kawasan yang dikelilingi oleh y = x2 dan y = x.

y = x2y = x
A =
5.TerbitanSederhana
xyx = 2

Biar f(x) = (−2x − 1)3. Cari f′(2).

f(x) = (−2x − 1)3x = 2
f′(2) =
6.TerbitanSukar
xyx = 2

Garis tangen kepada f(x) = 2x2 + 3 pada x = 2 memotong paksi-y pada y = b. Cari b.

f(x) = 2x2 + 3x = 2
b =
7.Kaedah berangkaSederhana
xy00.16670.33330.50.66670.83331

Anggarkan ∫01 e−x² dx dengan petua trapezium menggunakan n = 6 jalur. Beri T.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1]n = 6
T =
8.Kaedah berangkaSukar
00.20.400.20.4ty(0, 0)

Gunakan kaedah Euler dengan h = 0.1 untuk y′ = e−ty, y(0) = 0 untuk menganggar y5 ≈ y(0.5).

y′ = e−tyy(0) = 0h = 0.1
y5 =

3Larutan

1.Persamaan pembezaan

Jawapan: t = 2.818 min

Persamaan pembezaan peringkat pertama: dy/dt = k·y mempunyai penyelesaian y = y₀·ekt (pertumbuhan bagi k > 0, pereputan bagi k < 0); separuh hayat T memberikan k = ln 2/T. Hukum penyejukan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), memberikan T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Persamaan linear y′ + p(x)·y = q(x) diselesaikan dengan faktor pengamiran μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, maka μy = ∫μq dx + C.

Pemalar penyejukan

k = ln(76/2)/30 = 0.1213 min⁻¹

Masa untuk mencapai sasaran

t = ln(76/54)/0.1213 = 2.818 min

Jawapan

t = 2.818 min
2.Persamaan pembezaan

Jawapan: y(0.5) = 7.887

Persamaan linear tertib kedua: bagi y″ + b·y′ + c·y = 0 cuba y = ert: ini memberikan persamaan ciri r² + b·r + c = 0. Dua punca nyata r₁ ≠ r₂ memberikan y = A·er₁t + B·er₂t (redaman lampau); punca berganda r memberikan y = (A + Bt)·ert (redaman genting); punca kompleks −α ± jω memberikan y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (redaman kurang, berayun). Nilai awal y(0) dan y′(0) menetapkan A dan B. Ditulis sebagai y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn ialah frekuensi tabii dan ζ nisbah redaman: ζ < 1 berayun. Dengan input malar, y″ + by′ + cy = c·K, penyelesaiannya ialah nilai mantap K tambah sambutan bebas.

Nilai mantap dan punca

yss = 5, r = −0.5 ± 5j

Pemalar daripada nilai awal

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0.5A + 5B = 0 → B = −0.5

Nilaikan

y(0.5) = 5·(1 − e−0.25(cos 2.5 + 0.1·sin 2.5)) = 7.887

Jawapan

y(0.5) = 7.887
3.Kamiran

Jawapan: I = 0.5708

Pengamiran bahagian demi bahagian: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, daripada petua hasil darab. Pilih u sebagai faktor yang menjadi lebih mudah apabila dibezakan (kuasa x, atau ln x), dan dv sebagai faktor yang boleh anda kamirkan (eˣ, sin x, cos x, atau x apabila u = ln x). Bagi kamiran tentu, nilaikan u·v pada kedua-dua had: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Faktor x² memerlukan dua pusingan.

Pilih u dan dv

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

Antiterbitan

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

Had

(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0.5708

Jawapan

I = 0.5708
4.Kamiran

Jawapan: A = 0.1667

Kamiran tentu: ∫ₐᵇ f(x) dx ialah luas bertanda antara graf dan paksi-x dari a hingga b. Cari antiterbitan F (dengan F′ = f) dan nilaikan F(b) − F(a). Petua kuasa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Luas antara dua lengkung ialah ∫(atas − bawah) dx.

Titik persilangan

x2 = x → x = 0, x = 1

Kamirkan atas tolak bawah

A = [0.5x2 − 0.3333x3]01 = 0.1667

Jawapan

A = 0.1667
5.Terbitan

Jawapan: f′(2) = −150

Pembezaan: terbitan f′(x) ialah kecerunan graf pada x. Petua kuasa: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Petua hasil darab: (uv)′ = u′v + uv′. Petua rantai: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Di mana f′(x) = 0, graf mempunyai tangen mengufuk: maksimum, minimum atau titik pelana.

Petua rantai

f′(x) = 3·(−2x − 1)2·(−2)

Gantikan

f′(2) = 3·(−5)2·(−2) = −150

Jawapan

f′(2) = −150
6.Terbitan

Jawapan: b = −5

Pembezaan: terbitan f′(x) ialah kecerunan graf pada x. Petua kuasa: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Petua hasil darab: (uv)′ = u′v + uv′. Petua rantai: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Di mana f′(x) = 0, graf mempunyai tangen mengufuk: maksimum, minimum atau titik pelana.

Titik dan kecerunan

f(2) = 11
f′(x) = 4x → f′(2) = 8

Garis tangen pada x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 11 − 8·2 = −5

Jawapan

b = −5
7.Kaedah berangka

Jawapan: T = 0.7451

Pengamiran berangka: bahagikan [a, b] kepada n jalur selebar h = (b − a)/n dengan nod x₀ … xₙ. Petua trapezium: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Petua Simpson (n genap): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Ralat trapezium mengecil seperti h² (had (b − a)h²·M/12 dengan M = maks|f″|), Simpson seperti h⁴, maka Simpson biasanya jauh lebih tepat untuk nod yang sama.

ixᵢf(xᵢ)berat001110.1666670.972604220.3333330.894839230.50.778801240.6666670.64118250.8333330.4993522610.3678791

Nod dan nilai

h = 0.1667
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0.972604 + 2·0.894839 + 2·0.778801 + 2·0.64118 + 2·0.499352 + 0.367879 = 8.941433

Petua trapezium

T = (0.1667/2)·8.941433 = 0.7451

Jawapan

T = 0.7451

Kamiran ini tidak mempunyai antiterbitan dasar, dan itulah tepatnya apabila petua berangka diperlukan.

8.Kaedah berangka

Jawapan: y5 = 0.4723

Penyelesaian berangka bagi y′ = f(t, y): kaedah Euler melangkah di sepanjang cerun pada permulaan setiap langkah: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Kaedah Heun (Euler yang dipertingkat) mengambil purata cerun pada permulaan dan pada ramalan Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Kaedah Runge–Kutta klasik (RK4) menggabungkan empat cerun: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Ralat global Euler berkadar dengan h, Heun dengan h², RK4 dengan h⁴.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00010.110.10.10.990050.19900520.20.1990050.9609810.29510330.30.2951030.9152750.38663140.40.3866310.8567130.472302

Langkah Euler

y₁ = 0 + 0.1·(1) = 0.1
y₂ = 0.1 + 0.1·(0.99005) = 0.199005
y₃ = 0.199005 + 0.1·(0.960981) = 0.295103
y₄ = 0.295103 + 0.1·(0.915275) = 0.386631
y₅ = 0.386631 + 0.1·(0.856713) = 0.472302
00.20.400.20.4ty

Graf

y5 = 0.4723

Jawapan

y5 = 0.4723

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations