Дифференциальные уравнения: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Дифференциальные уравнения

Экспоненциальный рост/убывание
dy/dt = ky → y = y0ekt
Период полураспада
k = ln 2 / t½
Закон охлаждения Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Интегрирующий множитель
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Бак смешения
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Интегралы

Производная степени
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Определённый интеграл
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Основные интегралы
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площадь между кривыми
∫ab (f − g) dx

Метод

  1. Где возможно, представьте подынтегральную функцию суммой простых слагаемых.
  2. Примените правило степени: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), и табличные интегралы для ex, 1/x, sin и cos.
  3. Используйте замену переменной, когда видите функцию вместе с её производной.
  4. Для определённого интеграла вычислите F(b) − F(a).

Производные

Производная степени
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Правило произведения
(uv)′ = u′v + uv′
Производная частного
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Цепное правило
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Основные производные
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Метод

  1. Определите структуру: сумма, произведение, частное или композиция.
  2. Примените правило степени к каждой степени x.
  3. Где нужно, используйте правила дифференцирования произведения, частного или сложной функции.
  4. Упростите и, если требуется, вычислите значение в точке.

Численные методы

Бисекция
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Метод Ньютона–Рафсона
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Линейная интерполяция
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Метод трапеций
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Метод Симпсона (n чётное)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Оценка погрешности метода трапеций
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Эйлер
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Хойн
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Метод

  1. Для корня: проверьте смену знака для бисекции или вычислите f и f′ для метода Ньютона и сохраняйте шесть и более цифр в таблице итераций.
  2. Для значения из таблицы: интерполируйте линейно между двумя соседними точками.
  3. Для интеграла: найдите h = (b − a)/n, выпишите f в каждом узле, примените веса (1, 2, …, 2, 1 для трапеций; 1, 4, 2, …, 4, 1 для Симпсона при чётном n) и умножьте на h/2 или h/3.
  4. Для ОДУ: идите от t₀ по формуле yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Эйлер) или по усреднённому наклону (Хойн), по одной строке на шаг, пока не дойдёте до нужного t.

2Тренировочные задачи

1.Дифференциальные уравненияСредняя
t (min)T (°C)60Ta​47 °C

Кованую стальную деталь температурой 400 °C оставили остывать в цехе при 28 °C. Через 60 min температура равна 47 °C. Процесс подчиняется закону охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ). Найдите константу k в min⁻¹.

T0 = 400 °CTa = 28 °CT(60) = 47 °C
k = min⁻¹
2.Дифференциальные уравненияСложная
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Решите y″ + 4y′ + 13y = 0 при y(0) = 5 и y′(0) = 0 (отпущено из состояния покоя). Найдите y(1,5); углы в радианах.

y″ + 4y′ + 13y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =
3.ИнтегралыСредняя
xy2y = 3x

Область под y = 3x от x = 0 до x = 2 вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела (конуса).

y = 3x0 ≤ x ≤ 2
V =
4.ИнтегралыСложная
xyy = 0,5x2​y = 4x

Найдите площадь A области, ограниченной y = 0,5x2 и y = 4x.

y = 0,5x2y = 4x
A =
5.ПроизводныеСредняя
xyx = 2

Пусть f(x) = x·e2x. Найдите f′(2).

f(x) = x·e2xx = 2
f′(2) =
6.ПроизводныеСложная
xy

Пусть f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x + 6. Найдите x-координату x локального минимума.

f(x) = x3 − 7,5x2 + 12x + 6
x =
7.Численные методыСредняя
xy00,51

Приблизьте ∫01 sin x dx методом Симпсона, n = 2, и сравните с точным значением. Найдите абсолютную погрешность |E| = |S − I|.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Численные методыСложная
00,510,20,4ty(0, 0,5)

Используйте метод Эйлера с h = 0,25 для y′ = −2ty, y(0) = 0,5, чтобы оценить y4 ≈ y(1).

y′ = −2tyy(0) = 0,5h = 0,25
y4 =

3Растворы

1.Дифференциальные уравнения

Ответ: k = 0,04957 min⁻¹

Дифференциальные уравнения первого порядка: dy/dt = k·y имеет решение y = y₀·ekt (рост при k > 0, убывание при k < 0); период полураспада T даёт k = ln 2/T. Закон охлаждения Ньютона dT/dt = −k·(T − Tₐ) даёт T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Линейное уравнение y′ + p(x)·y = q(x) решается с интегрирующим множителем μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, поэтому μy = ∫μq dx + C.

Отношение разностей температур

e−60k = 19/372

Найдите k

k = ln(372/19)/60 = 0,04957 min⁻¹

Ответ

k = 0,04957 min⁻¹
2.Дифференциальные уравнения

Ответ: y(1.5) = −0,2147

Линейные уравнения второго порядка: для y″ + b·y′ + c·y = 0 ищите решение в виде y = ert: это даёт характеристическое уравнение r² + b·r + c = 0. Два различных вещественных корня r₁ ≠ r₂ дают y = A·er₁t + B·er₂t (апериодический режим, передемпфированный); двойной корень r даёт y = (A + Bt)·ert (критическое затухание); комплексные корни −α ± jω дают y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (колебательный режим, недодемпфированный). Начальные значения y(0) и y′(0) определяют A и B. В записи y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — собственная частота, а ζ — коэффициент демпфирования: при ζ < 1 возникают колебания. При постоянном входе y″ + by′ + cy = c·K решение равно установившемуся значению K плюс свободный отклик.

Комплексные корни

r = −2 ± 3j

Константы

A = 5, B = 2·5/3 = 3,333

Вычислите

y(1,5) = e−3(5·cos 4,5 + 3,333·sin 4,5) = −0,2147

Ответ

y(1,5) = −0,2147
3.Интегралы

Ответ: V = 75,4

Объёмы тел вращения: вращение области под y = f(x) от x = a до x = b вокруг оси x даёт тело, сечение которого при x — круг радиуса f(x). Суммирование кругов даёт V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Когда область лежит между внешней кривой R(x) и внутренней кривой r(x), каждый слой — кольцо (шайба): V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Возводите радиусы в квадрат до вычитания.

Метод дисков

V = π∫₀2 9x² dx

Интегрируйте

V = π·9·2³/3 = 75,4

Ответ

V = 75,4

Проверка: конус с радиусом 6 и высотой 2 имеет (1/3)πr²h = 75,4.

4.Интегралы

Ответ: A = 42,67

Определённые интегралы: ∫ₐᵇ f(x) dx — это площадь со знаком между графиком и осью x от a до b. Найдите первообразную F (F′ = f) и вычислите F(b) − F(a). Степенное правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площадь между двумя кривыми — ∫(верхняя − нижняя) dx.

Точки пересечения

0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8

Интегрируйте верхнюю минус нижнюю

A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67

Ответ

A = 42,67
5.Производные

Ответ: f′(2) = 273

Дифференцирование: производная f′(x) — это наклон графика в точке x. Степенное правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило произведения: (uv)′ = u′v + uv′. Цепное правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Где f′(x) = 0, у графика горизонтальная касательная: максимум, минимум или седловая точка.

Правило произведения

f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(1 + 2·x)

Подставьте

f′(2) = 54,6·(1 + 4) = 273

Ответ

f′(2) = 273
6.Производные

Ответ: x = 4

Дифференцирование: производная f′(x) — это наклон графика в точке x. Степенное правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило произведения: (uv)′ = u′v + uv′. Цепное правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Где f′(x) = 0, у графика горизонтальная касательная: максимум, минимум или седловая точка.

Производная

f′(x) = 3x2 − 15x + 12 = 3·(x2 − 5x + 4)

Решите f′(x) = 0

x = 1 или x = 4

Что есть что

f″(x) = 6x − 15: отрицательна в максимуме, положительна в минимуме.

f″(1) = −9, f″(4) = 9
x = 4

Ответ

x = 4
7.Численные методы

Ответ: |E| = 0,0001645

Численное интегрирование: разделите [a, b] на n полос шириной h = (b − a)/n с узлами x₀ … xₙ. Метод трапеций: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Метод Симпсона (n чётное): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Погрешность метода трапеций убывает как h² (оценка (b − a)h²·M/12, где M = max|f″|), метода Симпсона — как h⁴, поэтому при тех же узлах метод Симпсона обычно намного точнее.

Точное значение

I = 0,459698

Метод Симпсона

S = (0,5/3)·(0 + 4·0,479426 + 0,841471) = 0,459862

Погрешность

|E| = |0,459862 − 0,459698| = 0,0001645

Ответ

|E| = 0,0001645

Относительная погрешность: 0,03578%.

8.Численные методы

Ответ: y4 = 0,2051

Численное решение y′ = f(t, y): метод Эйлера идёт по наклону в начале каждого шага: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) усредняет наклон в начале и в точке, предсказанной методом Эйлера: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Классический метод Рунге–Кутты (RK4) объединяет четыре наклона: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Глобальная погрешность метода Эйлера пропорциональна h, метода Хойна — h², метода RK4 — h⁴.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁000,500,510,250,5−0,250,437520,50,4375−0,43750,32812530,750,328125−0,4921880,205078

Шаги Эйлера

y₁ = 0,5 + 0,25·(0) = 0,5
y₂ = 0,5 + 0,25·(−0,25) = 0,4375
y₃ = 0,4375 + 0,25·(−0,4375) = 0,328125
y₄ = 0,328125 + 0,25·(−0,492188) = 0,205078
00,510,20,4ty

График

y4 = 0,2051

Ответ

y4 = 0,2051

Точное значение равно y(1) = 0,18394.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations