Równania różniczkowe: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 8 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Równania różniczkowe

Wzrost/zanik wykładniczy
dy/dt = ky → y = y0ekt
Okres połowicznego rozpadu
k = ln 2 / t½
Prawo stygnięcia Newtona
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Czynnik całkujący
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Zbiornik z mieszaniem
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Całki

Pochodna potęgi
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Całka oznaczona
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Podstawowe całki
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Pole między krzywymi
∫ab (f − g) dx

Metoda

  1. Tam, gdzie to możliwe, zapisz funkcję podcałkową jako sumę prostych wyrazów.
  2. Zastosuj wzór na całkę potęgi: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) oraz całki podstawowe dla ex, 1/x, sin i cos.
  3. Użyj podstawienia, gdy widzisz razem funkcję i jej pochodną.
  4. Dla całki oznaczonej oblicz F(b) − F(a).

Pochodne

Pochodna potęgi
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Reguła iloczynu
(uv)′ = u′v + uv′
Pochodna ilorazu
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Reguła łańcuchowa
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Podstawowe pochodne
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Metoda

  1. Rozpoznaj strukturę: suma, iloczyn, iloraz czy złożenie.
  2. Zastosuj wzór na pochodną potęgi do każdej potęgi x.
  3. W razie potrzeby użyj reguły iloczynu, ilorazu lub łańcuchowej.
  4. Uprość i, jeśli trzeba, oblicz wartość w punkcie.

Metody numeryczne

Bisekcja
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolacja liniowa
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Wzór trapezów
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Wzór Simpsona (n parzyste)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Oszacowanie błędu wzoru trapezów
|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)

Metoda

  1. Dla pierwiastka: sprawdź zmianę znaku dla bisekcji albo oblicz f i f′ dla Newtona i zachowaj sześć lub więcej cyfr w tabeli iteracji.
  2. Dla wartości z tabeli: interpoluj liniowo między dwoma sąsiednimi punktami.
  3. Dla całki: znajdź h = (b − a)/n, wypisz f w każdym węźle, zastosuj wagi (1, 2, …, 2, 1 dla trapezów; 1, 4, 2, …, 4, 1 dla Simpsona przy parzystym n) i pomnóż przez h/2 lub h/3.
  4. Dla równania różniczkowego: idź krok po kroku od t₀ według yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) lub uśrednionego nachylenia (Heun), po jednym wierszu na krok, aż dojdziesz do żądanego t.

2Zadania do ćwiczenia

1.Równania różniczkoweŚredni
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Rozwiąż y″ + 3y′ + 2y = 0 z y(0) = 5 i y′(0) = 4. Wyznacz y(1,5).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1.5) =
2.Równania różniczkoweTrudny
tyK = 5y(0,25) = ?

Układ spełnia równanie y″ + y′ + 9,25y = 46,25 dla t ≥ 0, startując ze spoczynku: y(0) = 0, y′(0) = 0. Wyznacz y(0,25); kąty w radianach.

y″ + y′ + 9,25y = 46,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.CałkiŚredni
xy12y = x ln x

Oblicz I = ∫₁2 x·ln x dx.

∫₁2 x ln x dx
I =
4.CałkiTrudny
xy−22

Wyznacz pole A obszaru między parabolą y = 4 − x² a osią x.

y = 4 − x²
A =
5.PochodneŚredni
xyx = 3

Dana jest funkcja f(x) = ln(2x2 + 5). Wyznacz f′(3).

f(x) = ln(2x2 + 5)x = 3
f′(3) =
6.PochodneTrudny
xy

Dana jest funkcja f(x) = x3 + 10,5x2 + 36x + 3. Wyznacz współrzędną x x minimum lokalnego.

f(x) = x3 + 10,5x2 + 36x + 3
x =
7.Metody numeryczneŚredni
xy00,511,52

Przybliż ∫02 1/(1 + x³) dx wzorem Simpsona przy n = 4 paskach. Podaj S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.Metody numeryczneTrudny
00,5111,522,5ty(0, 1)

Użyj metody Eulera z h = 0,2 dla y′ = y − t², y(0) = 1, aby oszacować y5 ≈ y(1).

y′ = y − t²y(0) = 1h = 0,2
y5 =

3Roztwory

1.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(1.5) = 2,676

Liniowe równania drugiego rzędu: dla y″ + b·y′ + c·y = 0 spróbuj y = ert: otrzymasz równanie charakterystyczne r² + b·r + c = 0. Dwa różne pierwiastki rzeczywiste r₁ ≠ r₂ dają y = A·er₁t + B·er₂t (tłumienie nadkrytyczne); pierwiastek podwójny r daje y = (A + Bt)·ert (tłumienie krytyczne); pierwiastki zespolone −α ± jω dają y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (tłumienie podkrytyczne, drgania). Wartości początkowe y(0) i y′(0) wyznaczają A i B. Zapisane jako y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn jest częstością drgań własnych, a ζ współczynnikiem tłumienia: dla ζ < 1 występują drgania. Przy stałym wymuszeniu y″ + by′ + cy = c·K rozwiązaniem jest wartość ustalona K plus odpowiedź swobodna.

Pierwiastki charakterystyczne

(r + 1)(r + 2) = 0 → r = −1, −2

Stałe z wartości początkowych

A + B = 5, −1A − 2B = 4
A = 14, B = −9

Oblicz

y(1,5) = 14·e−1,5 + (−9)·e−3 = 2,676

Odpowiedź

y(1,5) = 2,676
2.Równania różniczkowe

Odpowiedź: y(0.25) = 1,27

Liniowe równania drugiego rzędu: dla y″ + b·y′ + c·y = 0 spróbuj y = ert: otrzymasz równanie charakterystyczne r² + b·r + c = 0. Dwa różne pierwiastki rzeczywiste r₁ ≠ r₂ dają y = A·er₁t + B·er₂t (tłumienie nadkrytyczne); pierwiastek podwójny r daje y = (A + Bt)·ert (tłumienie krytyczne); pierwiastki zespolone −α ± jω dają y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (tłumienie podkrytyczne, drgania). Wartości początkowe y(0) i y′(0) wyznaczają A i B. Zapisane jako y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn jest częstością drgań własnych, a ζ współczynnikiem tłumienia: dla ζ < 1 występują drgania. Przy stałym wymuszeniu y″ + by′ + cy = c·K rozwiązaniem jest wartość ustalona K plus odpowiedź swobodna.

Wartość ustalona i pierwiastki

yss = 5, r = −0,5 ± 3j

Stałe z wartości początkowych

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −0,8333

Oblicz

y(0,25) = 5·(1 − e−0,125(cos 0,75 + 0,1667·sin 0,75)) = 1,27

Odpowiedź

y(0,25) = 1,27
3.Całki

Odpowiedź: I = 0,6363

Całkowanie przez części: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, co wynika z reguły różniczkowania iloczynu. Za u wybierz czynnik, który po zróżniczkowaniu staje się prostszy (potęga x lub ln x), a za dv czynnik, który umiesz scałkować (eˣ, sin x, cos x albo x, gdy u = ln x). Dla całki oznaczonej oblicz u·v na obu granicach: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Czynnik x² wymaga dwóch rund.

Wybierz u i dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Funkcja pierwotna

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Granice

(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363

Odpowiedź

I = 0,6363
4.Całki

Odpowiedź: A = 10,67

Całki oznaczone: ∫ₐᵇ f(x) dx to pole ze znakiem między wykresem a osią x od a do b. Znajdź funkcję pierwotną F (F′ = f) i oblicz F(b) − F(a). Reguła potęgowa: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Pole między dwiema krzywymi to ∫(górna − dolna) dx.

Miejsca zerowe

4 − x² = 0 → x = ±2

Całkuj

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Odpowiedź

A = 10,67
5.Pochodne

Odpowiedź: f′(3) = 0,5217

Różniczkowanie: pochodna f′(x) to nachylenie wykresu w punkcie x. Reguła potęgowa: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Reguła iloczynu: (uv)′ = u′v + uv′. Reguła łańcuchowa: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Gdzie f′(x) = 0, wykres ma poziomą styczną: maksimum, minimum albo punkt siodłowy.

Reguła łańcuchowa dla logarytmu

f′(x) = 4x/(2x2 + 5)

Podstaw

f′(3) = 12/23 = 0,5217

Odpowiedź

f′(3) = 0,5217
6.Pochodne

Odpowiedź: x = −3

Różniczkowanie: pochodna f′(x) to nachylenie wykresu w punkcie x. Reguła potęgowa: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Reguła iloczynu: (uv)′ = u′v + uv′. Reguła łańcuchowa: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Gdzie f′(x) = 0, wykres ma poziomą styczną: maksimum, minimum albo punkt siodłowy.

Pochodna

f′(x) = 3x2 + 21x + 36 = 3·(x2 + 7x + 12)

Rozwiąż f′(x) = 0

x = −4 lub x = −3

Które jest które

f″(x) = 6x + 21: ujemna w maksimum, dodatnia w minimum.

f″(−4) = −3, f″(−3) = 3
x = −3

Odpowiedź

x = −3
7.Metody numeryczne

Odpowiedź: S = 1,097

Całkowanie numeryczne: podziel [a, b] na n pasków o szerokości h = (b − a)/n z węzłami x₀ … xₙ. Wzór trapezów: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Wzór Simpsona (n parzyste): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Błąd wzoru trapezów maleje jak h² (oszacowanie (b − a)h²·M/12, gdzie M = max|f″|), a wzoru Simpsona jak h⁴, więc Simpson jest zwykle znacznie dokładniejszy przy tych samych węzłach.

ixᵢf(xᵢ)masa ciała001110,50,8888894210,5231,50,2285714420,1111111

Węzły i wartości

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,888889 + 2·0,5 + 4·0,228571 + 0,111111 = 6,580952

Wzór Simpsona

S = (0,5/3)·6,580952 = 1,097

Odpowiedź

S = 1,097

Ta całka nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, a właśnie wtedy potrzebna jest reguła numeryczna.

8.Metody numeryczne

Odpowiedź: y5 = 2,214

Numeryczne rozwiązywanie y′ = f(t, y): metoda Eulera idzie wzdłuż nachylenia na początku każdego kroku: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Metoda Heuna (ulepszona metoda Eulera) uśrednia nachylenie na początku i w przewidywaniu Eulera: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Klasyczna metoda Rungego–Kutty (RK4) łączy cztery nachylenia: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Błąd globalny metody Eulera jest proporcjonalny do h, metody Heuna do h², a RK4 do h⁴.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00111,210,21,21,161,43220,41,4321,2721,686430,61,68641,32641,9516840,81,951681,311682,214016

Kroki Eulera

y₁ = 1 + 0,2·(1) = 1,2
y₂ = 1,2 + 0,2·(1,16) = 1,432
y₃ = 1,432 + 0,2·(1,272) = 1,6864
y₄ = 1,6864 + 0,2·(1,3264) = 1,95168
y₅ = 1,95168 + 0,2·(1,31168) = 2,214016
00,5111,522,5ty

Wykres

y5 = 2,214

Odpowiedź

y5 = 2,214

Wartość dokładna to y(1) = 2,281718.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations